JP2006521644A - Bit-type optical data storage using aluminum oxide single crystal media - Google Patents

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Abstract

本発明は、情報をAlを含むルミネセンスデータ記憶媒体へ書き込み、該媒体から読み取り、そして該媒体上で消去するための方法および装置を提供する。この方法は、逐次2光子吸収による光イオン化を用いて情報を書き込みおよび消去する工程、ならびに1光子吸収および共焦点蛍光検出を用いて該情報を非破壊的に読み取る工程を含む。情報を書き込みおよび読み取るための装置は、多層容積蛍光データ記憶のための共焦点検出および球面収差補正を組み込む。この方法はまた、増加した記憶容量のための情報の多重レベル記憶および読み出しを可能にする。The present invention provides a method and apparatus for writing information to a luminescent data storage medium comprising Al 2 O 3 , reading from the medium, and erasing on the medium. The method includes writing and erasing information using photoionization with sequential two-photon absorption, and reading the information nondestructively using one-photon absorption and confocal fluorescence detection. An apparatus for writing and reading information incorporates confocal detection and spherical aberration correction for multilayer volumetric fluorescence data storage. This method also allows multi-level storage and retrieval of information for increased storage capacity.

Description

本発明は、情報をデータ記憶媒体へ書き込み、該媒体から読み取り、そして該媒体上で消去する方法に関する。   The present invention relates to a method for writing information to, reading from, and erasing information on a data storage medium.

本出願は、2003年4月22日に出願された「酸化アルミニウム単結晶を利用する共焦点1ビット記録および蛍光読み出し」という表題の米国特許出願第10/419,726号および2003年8月6日に出願された「酸化アルミニウム単結晶媒体を利用するビット方式光学データ記憶」という表題の米国特許出願第10/633,654号の一部継続出願であり、これらは、2001年12月4日に出願された米国仮出願第60/336,749号(現在は放棄された)の優先日を主張している2002年12月4日に出願された「光学データ記憶用の酸化アルミニウム材料」という表題の米国特許出願第10/309,021号、ならびに2002年10月10日に出願された米国仮出願第60/417,153号の優先日を主張している2002年12月4日に出願された「光学データ記憶に用いられる酸化アルミニウム材料の形成方法」という表題の米国特許出願第10/309,179号の一部継続出願である。この出願はまた、米国特許出願第10/419,726号の分割出願である2003年6月9日に出願された「酸化アルミニウムデータ記憶媒体に記憶される情報を熱消去する方法」という表題の米国特許出願第10/456,569号に関連する。上記出願の開示および内容の全体が、本明細書で参考として援用される。   This application is filed on Apr. 22, 2003, US patent application Ser. No. 10 / 419,726 entitled “Confocal 1-bit recording and fluorescence readout using aluminum oxide single crystals” and Aug. 6, 2003. This is a continuation-in-part of U.S. patent application Ser. No. 10 / 633,654 entitled “Bit-Based Optical Data Storage Using Aluminum Oxide Single Crystal Medium,” which was filed on Dec. 4, 2001. US patent application entitled “Aluminum Oxide Material for Optical Data Storage” filed Dec. 4, 2002, claiming priority date of US Provisional Application No. 60 / 336,749 (now abandoned) No. 10 / 309,021, as well as US Provisional Application No. 60 / 417,153 filed Oct. 10, 2002, filed Dec. 4, 2002, entitled “Oxidation Used for Optical Data Storage”. US Patent Application titled “Method of Forming Aluminum Material” Some of No. 10 / 309,179 is a continuation application. This application is also a US patent entitled "Method for Thermally Erasing Information Stored on Aluminum Oxide Data Storage Medium" filed on June 9, 2003, a divisional application of US Patent Application No. 10 / 419,726. Related to application 10 / 456,569. The entire disclosure and content of the above application is incorporated herein by reference.

磁気ディスク、CD−ROM、DVDなどのような従来の記憶媒体の代わりに、コンピュータデバイスのためのより高密度のデータ記憶媒体を設計するための種々の試みが行われている。改良されたデータ記憶方法を開発することに関して直面する障害の多くは、不適切な記憶材料特性に関連している。例えば、フォトポリマーは、1ビットまたはホログラフィーのデータ記憶における使用のために研究されている。しかし、フォトポリマーは、強い寸法収縮を示す。また、ほとんどの光感受性ポリマーは、WROM媒体(1回書き込み、多数回読み取り)としてのみ使用され得、そして書き換え可能なフォトポリマーは、未だ不安定であり、そして書き込み−読み取りサイクルが多数回繰り返されると、著しい疲労を示す。1回書き込み蛍光フォトポリマーでさえも、繰り返して読み取る場合、蛍光出力シグナルの強い低下を示す。ほとんどのフォトポリマー、ならびに容積1ビット記録のための他の潜在的な材料である光屈折結晶についてのさらなる問題は、有効な2光子吸収を達成するためにフェムト秒の高ピーク出力のTi−サファイアレーザーを使用する必要があることである。このタイプのレーザーは、大きく、高価であり、そして研究室のデモンストレーションにのみ適切である。   Various attempts have been made to design higher density data storage media for computer devices instead of conventional storage media such as magnetic disks, CD-ROMs, DVDs and the like. Many of the obstacles faced with developing improved data storage methods are related to inappropriate storage material properties. For example, photopolymers are being investigated for use in 1-bit or holographic data storage. However, the photopolymer exhibits strong dimensional shrinkage. Also, most photosensitive polymers can only be used as WROM media (one write, many reads), and rewritable photopolymers are still unstable and the write-read cycle is repeated many times. And marked fatigue. Even single-write fluorescent photopolymers show a strong decrease in fluorescence output signal when read repeatedly. A further problem with most photopolymers, and other potential materials for photorefractive crystals for 1-bit volume recording, is the femtosecond high peak output Ti-sapphire to achieve effective two-photon absorption. It is necessary to use a laser. This type of laser is large, expensive and only suitable for laboratory demonstrations.

したがって、高密度データ記憶デバイスの製造のためのより良好な材料の必要が存在する。   Thus, there is a need for better materials for the manufacture of high density data storage devices.

したがって、本発明の目的は、データ記憶のための相変化転移または光誘導重合化技法と比較して、速い電子的プロセスを可能にする、酸化アルミニウム材料を利用するデータ記憶方法を提供することである。   Accordingly, it is an object of the present invention to provide a data storage method utilizing an aluminum oxide material that allows a fast electronic process as compared to phase change transition or photoinduced polymerization techniques for data storage. is there.

本発明のさらなる目的は、1秒当たり100Mビットまでの書き込み/読み取り速度を達成し得る、酸化アルミニウム材料を利用するデータ記憶方法を提供することである。   It is a further object of the present invention to provide a data storage method utilizing aluminum oxide material that can achieve write / read speeds of up to 100 Mbits per second.

本発明のさらに他の目的は、書き込み/読み取り速度を上昇させるためのデータ記憶媒体において多重マークの並行処理を行う能力を提供する、酸化アルミニウム材料を利用するデータ記憶方法を提供することである。   Yet another object of the present invention is to provide a data storage method utilizing an aluminum oxide material that provides the ability to perform multiple mark parallel processing in a data storage medium to increase writing / reading speed.

本発明のさらに他の目的は、光学部品の回折限界およびNAによってのみ制限される高データ記憶密度を提供する、酸化アルミニウム材料を利用するデータ記憶方法を提供することである。   Yet another object of the present invention is to provide a data storage method utilizing an aluminum oxide material that provides a high data storage density limited only by the diffraction limit and NA of the optical component.

本発明のさらに他の目的は、書き込みレーザーエネルギーからの蛍光応答の依存性による多重レベルデータ記憶の可能性を提供する、酸化アルミニウム材料を利用するデータ記憶方法を提供することである。   Yet another object of the present invention is to provide a data storage method utilizing an aluminum oxide material that provides the possibility of multi-level data storage due to the dependence of the fluorescence response from the writing laser energy.

本発明のさらに他の目的は、情報の書き込みおよび読み取りのための低レーザー光エネルギー(pJおよびnJ範囲)のみを必要とする、酸化アルミニウム材料を利用するデータ記憶方法を提供することである。   Yet another object of the present invention is to provide a data storage method utilizing an aluminum oxide material that requires only low laser light energy (pJ and nJ range) for writing and reading information.

本発明のさらに他の目的は、記憶したデータの著しく高温および時間安定性を提供する、酸化アルミニウム材料を利用するデータ記憶方法を提供することである。   Yet another object of the present invention is to provide a data storage method utilizing an aluminum oxide material that provides significantly higher temperature and time stability of the stored data.

本発明のさらに他の目的は、無数の書き込み/読み取りサイクルの後に材料性能の低下がない、酸化アルミニウム材料を利用するデータ記憶方法を提供することである。   Yet another object of the present invention is to provide a data storage method utilizing an aluminum oxide material that does not degrade material performance after countless write / read cycles.

本発明の第1の広い局面によれば、データ記憶媒体に情報を書き込む方法が提供され、該方法は、Alを含むルミネセンスデータ記憶媒体を提供する工程;および光源で該情報を該ルミネセンスデータ記憶媒体に書き込む工程を含む。 According to a first broad aspect of the present invention, there is provided a method of writing information to a data storage medium, the method comprising providing a luminescent data storage medium comprising Al 2 O 3 ; Writing to the luminescence data storage medium.

本発明の第2の広い局面によれば、データ記憶媒体上に記憶された情報を読み取る方法が提供され、該方法は、光源でルミネセンスデータ記憶媒体を励起させて、該ルミネセンスデータ記憶媒体に蛍光光シグナルを発する工程であって、該ルミネセンスデータ記憶媒体がAlを含み、そして該光源が該ルミネセンスデータ記憶媒体の吸収帯の範囲の波長を有する読み取りレーザービームを発する、工程;および該ルミネセンスデータ記憶媒体から該レーザーで誘導された蛍光光シグナルを測定して、該ルミネセンスデータ記憶媒体上に記憶された該情報を読み取る工程を含む。 According to a second broad aspect of the invention, there is provided a method for reading information stored on a data storage medium, the method comprising exciting the luminescence data storage medium with a light source to provide the luminescence data storage medium. Emitting a fluorescent light signal to the luminescence data storage medium comprising Al 2 O 3 and the light source emitting a read laser beam having a wavelength in the range of the absorption band of the luminescence data storage medium; Measuring the fluorescence light signal induced by the laser from the luminescence data storage medium and reading the information stored on the luminescence data storage medium.

本発明の第3の広い局面によれば、データ記憶媒体上に記憶された情報を消去する方法が提供され、該方法は、Alを含むルミネセンスデータ記憶媒体を提供する工程であって、該ルミネセンスデータ記憶媒体が、そこに記憶された該情報を有する、工程;および光源で該ルミネセンスデータ記憶媒体を照射して、該情報を消去する工程を含む。 According to a third broad aspect of the present invention, a method for erasing information stored on a data storage medium is provided, the method comprising providing a luminescent data storage medium comprising Al 2 O 3. The luminescence data storage medium having the information stored therein; and irradiating the luminescence data storage medium with a light source to erase the information.

本発明の第4の広い局面によれば、データ記憶媒体に情報を書き込む方法が提供され、該方法は、Alを含むルミネセンスデータ記憶媒体を提供する工程;および、該ルミネセンスデータ記憶媒体における色中心から電子を除去し、そして該ルミネセンスデータ記憶媒体において該電子を熱安定トラップに移動させる2光子吸収技法および光イオン化技法を用いることによって、該情報を光源で該ルミネセンスデータ記憶媒体に書き込む工程を含む。 According to a fourth broad aspect of the invention, there is provided a method of writing information to a data storage medium, the method comprising providing a luminescence data storage medium comprising Al 2 O 3 ; and the luminescence data By using a two-photon absorption technique and a photoionization technique that removes electrons from the color center in the storage medium and moves the electrons to a thermally stable trap in the luminescence data storage medium, the information is transmitted to the luminescence data at the light source. Writing to the storage medium.

本発明の第5の広い局面によれば、データ記憶媒体から情報を読み取る方法が提供され、該方法は、ルミネセンスデータ記憶媒体の吸収帯の範囲の波長を有する光源で該ルミネセンスデータ記憶媒体を励起させて、該ルミネセンスデータ記憶媒体に蛍光光シグナルを発する工程であって、該ルミネセンスデータ記憶媒体が、Alおよび色中心を含む、工程;および該ルミネセンスデータ記憶媒体から該誘導された蛍光シグナルを測定して、該ルミネセンスデータ記憶媒体上に記憶された該情報を読み取る工程を含み、該方法は、該色中心の光イオン化なしで1光子吸収の条件下で行われ、そして該光源による該色中心の励起を生じて、該色中心に該蛍光シグナルを発する。 According to a fifth broad aspect of the present invention, there is provided a method for reading information from a data storage medium, the method comprising: a light source having a wavelength in the range of the absorption band of the luminescence data storage medium. And emitting a fluorescent light signal to the luminescent data storage medium, the luminescent data storage medium comprising Al 2 O 3 and a color center; and from the luminescent data storage medium Measuring the induced fluorescence signal and reading the information stored on the luminescence data storage medium, the method being performed under conditions of one-photon absorption without photoionization of the color center. And excitation of the color center by the light source causes the fluorescence signal to be emitted at the color center.

本発明の第6の広い局面によれば、データ記憶媒体に記憶された情報を消去する方法が提供され、該方法は、Alを含むルミネセンスデータ記憶媒体を提供する工程であって、該ルミネセンスデータ記憶媒体がそこに記憶された該情報を有する、工程;および2光子吸収の条件下で光源で該ルミネセンスデータ記憶媒体を照射して、該情報を消去する工程を含む。 According to a sixth broad aspect of the present invention, there is provided a method for erasing information stored in a data storage medium, the method comprising providing a luminescent data storage medium comprising Al 2 O 3 comprising: Illuminating the luminescence data storage medium with a light source under conditions of two-photon absorption and erasing the information.

本発明の第7の広い局面によれば、Alを含むルミネセンスデータ記憶媒体;および該ルミネセンスデータ記憶媒体に情報を書き込むための光源を含む装置が提供される。 According to a seventh broad aspect of the present invention there is provided an apparatus comprising a luminescent data storage medium comprising Al 2 O 3 ; and a light source for writing information to the luminescent data storage medium.

本発明の第8の広い局面によれば、Alを含むルミネセンスデータ記憶媒体;情報が該ルミネセンスデータ記憶媒体上に記憶される場合に該ルミネセンスデータ記憶媒体を励起させて該ルミネセンスデータ記憶媒体に蛍光光シグナルを発するための第1光源;および該発生した蛍光光シグナルを測定するための手段を含む装置が提供される。 According to an eighth broad aspect of the present invention, a luminescent data storage medium comprising Al 2 O 3 ; when information is stored on the luminescent data storage medium, the luminescent data storage medium is excited to An apparatus is provided that includes a first light source for emitting a fluorescent light signal to a luminescent data storage medium; and means for measuring the generated fluorescent light signal.

本発明の第9の広い局面によれば、Alを含むルミネセンスデータ記憶媒体;および、該ルミネセンスデータ記憶媒体における色中心から電子を除去し、そして該ルミネセンスデータ記憶媒体において該電子を熱安定トラップに移動させる2光子吸収技法および光イオン化技法を用いることによって、該情報を該ルミネセンスデータ記憶媒体に書き込むための書き込み手段を含む装置が提供され、該書き込み手段は第1光源を含む。 According to a ninth broad aspect of the present invention, a luminescent data storage medium comprising Al 2 O 3 ; and removing electrons from the color center in the luminescent data storage medium and in the luminescent data storage medium By using a two-photon absorption technique and a photoionization technique to move electrons to a thermally stable trap, an apparatus is provided that includes writing means for writing the information to the luminescent data storage medium, the writing means comprising a first light source including.

本発明の第10の広い局面によれば、データ記憶媒体上に記憶された情報を消去する方法が提供され、該方法は、(a)Alを含むルミネセンスデータ記憶媒体を提供する工程であって、該ルミネセンスデータ記憶媒体がそこに記憶された該情報を有する、工程;および(b)約600から700℃の温度で該ルミネセンスデータ記憶媒体を熱アニールして、該ルミネセンスデータ記憶媒体上の該情報を消去する工程を含む。 According to a tenth broad aspect of the present invention, there is provided a method for erasing information stored on a data storage medium, the method providing (a) a luminescent data storage medium comprising Al 2 O 3. And wherein the luminescence data storage medium has the information stored therein; and (b) thermally annealing the luminescence data storage medium at a temperature of about 600 to 700 ° C. Erasing the information on the sense data storage medium.

本発明の第11の広い局面によれば、データ記憶媒体上に記憶された情報を消去するための装置が提供され、該装置は、Alを含むルミネセンスデータ記憶媒体であって、該ルミネセンスデータ記憶媒体がそこに記憶された該情報を有する、記憶媒体;および約600から700℃の温度で該ルミネセンスデータ記憶媒体を熱アニールして、該ルミネセンスデータ記憶媒体上の該情報を消去するためのアニール手段を含む。 According to an eleventh broad aspect of the invention, there is provided an apparatus for erasing information stored on a data storage medium, the apparatus being a luminescent data storage medium comprising Al 2 O 3 comprising: A storage medium having the information stored thereon; and thermal annealing the luminescence data storage medium at a temperature of about 600 to 700 degrees Celsius, and the luminescence data storage medium on the luminescence data storage medium An annealing means for erasing information is included.

本発明の第12の広い局面によれば、データ記憶媒体上に記憶された情報を読み取る方法が提供され、該方法は、(a)ルミネセンスデータ記憶媒体を光源で励起させて、該ルミネセンスデータ記憶媒体に蛍光光シグナルを発生させる工程であって、該ルミネセンスデータ記憶媒体がAlを含み、そして該光源が、該ルミネセンスデータ記憶媒体の吸収帯の範囲の波長を有する読み取りレーザービームを発する、工程;および(b)該ルミネセンスデータ記憶媒体からの該レーザー誘導された蛍光光シグナルを測定して、該ルミネセンスデータ記憶媒体上に記憶された該情報を読み取る工程を含み、該ルミネセンスデータ記憶媒体は、Alを含む基礎材料;マグネシウムを含む第1のドーパント;および炭素を含む第2のドーパントを含み、該ルミネセンスデータ記憶媒体は、多数の少なくとも1つのタイプの酸素空格子点欠損を含み、そして該ルミネセンスデータ記憶媒体は、250±5nm、335±5nm、および620±10nmの領域に吸収帯、750±10nmの領域に発光、および80±10nsの寿命を有する少なくとも1つの色中心を含む。 According to a twelfth broad aspect of the present invention, there is provided a method of reading information stored on a data storage medium, the method comprising: (a) exciting the luminescence data storage medium with a light source to provide the luminescence. Generating a fluorescent light signal in the data storage medium, wherein the luminescent data storage medium comprises Al 2 O 3 and the light source has a wavelength in the range of the absorption band of the luminescent data storage medium Emitting a laser beam; and (b) measuring the laser-induced fluorescent light signal from the luminescence data storage medium and reading the information stored on the luminescence data storage medium , the luminescent data storage medium, the basal material including Al 2 O 3; a second de containing and carbon; first dopant comprising magnesium The luminescence data storage medium includes a number of at least one type of oxygen vacancy defects and the luminescence data storage medium has a range of 250 ± 5 nm, 335 ± 5 nm, and 620 ± 10 nm. At least one color center having an absorption band, emission in the region of 750 ± 10 nm, and a lifetime of 80 ± 10 ns.

本発明の第13の広い局面によれば、データ記憶媒体に情報を書き込む方法が提供され、該方法は、Alを含むルミネセンスデータ記憶媒体を提供する工程;および該ルミネセンスデータ記憶媒体に光源で該情報を書き込む工程を含み、該ルミネセンスデータ記憶媒体は、該光源の光伝搬の方向に平行な光学c軸の配向を有する。 According to a thirteenth broad aspect of the invention, there is provided a method of writing information to a data storage medium, the method comprising providing a luminescence data storage medium comprising Al 2 O 3 ; and the luminescence data storage Writing the information to the medium with a light source, the luminescent data storage medium having an optical c-axis orientation parallel to the direction of light propagation of the light source.

本発明の第14の広い局面によれば、データ記憶媒体に情報を書き込む方法が提供され、該方法は、Alを含むルミネセンスデータ記憶媒体を提供する工程;および該ルミネセンスデータ記憶媒体に光源で該情報を書き込む工程を含み、該ルミネセンスデータ記憶媒体は、該光源の光伝搬の方向に垂直な光学c軸の配向を有し、そして該光源の偏光のベクトルは、該ルミネセンスデータ記憶媒体の回転と同期回転し、そして該光源の偏光方向に平行な結晶の光学c軸を維持する。 According to a fourteenth broad aspect of the present invention there is provided a method of writing information to a data storage medium, the method comprising providing a luminescence data storage medium comprising Al 2 O 3 ; and the luminescence data storage Writing the information to the medium with a light source, the luminescence data storage medium having an optical c-axis orientation perpendicular to the direction of light propagation of the light source, and the polarization vector of the light source Synchronously with the rotation of the sense data storage medium and maintain the optical c-axis of the crystal parallel to the polarization direction of the light source.

本発明の第15の広い局面によれば、データ記憶媒体上に記憶された情報を読み取る方法が提供され、該方法は、(a)ルミネセンスデータ記憶媒体を光源で励起させて、該ルミネセンスデータ記憶媒体に蛍光光シグナルを発生させる工程であって、該ルミネセンスデータ記憶媒体がAlを含み、そして該光源が該ルミネセンスデータ記憶媒体の吸収帯の範囲の波長を有する読み取りレーザービームを発生し、そして該ルミネセンスデータ記憶媒体が該光源の光伝搬の方向に平行な光学c軸の配向を有する、工程;および(b)該ルミネセンスデータ記憶媒体からの該レーザー誘導した蛍光光シグナルを測定して、該ルミネセンスデータ記憶媒体上に記憶された該情報を読み取る工程を含む。 According to a fifteenth broad aspect of the present invention, there is provided a method for reading information stored on a data storage medium, the method comprising: (a) exciting the luminescence data storage medium with a light source to produce the luminescence. A reading laser for generating a fluorescent light signal in a data storage medium, wherein the luminescent data storage medium comprises Al 2 O 3 and the light source has a wavelength in the range of the absorption band of the luminescent data storage medium Generating a beam and the luminescence data storage medium has an optical c-axis orientation parallel to the direction of light propagation of the light source; and (b) the laser-induced fluorescence from the luminescence data storage medium Measuring a light signal and reading the information stored on the luminescence data storage medium.

本発明の第16の広い局面によれば、データ記憶媒体上に記憶された情報を読み取る方法が提供され、該方法は、(a)ルミネセンスデータ記憶媒体を光源で励起させて、該ルミネセンスデータ記憶媒体に蛍光光シグナルを発生させる工程であって、該ルミネセンスデータ記憶媒体がAlを含み、そして該光源が該ルミネセンスデータ記憶媒体の吸収帯の範囲の波長を有する読み取りレーザービームを発生し、そして該ルミネセンスデータ記憶媒体が該光源の光伝搬の方向に垂直な光学c軸の配向を有し、そして該光源の偏光のベクトルが、該ルミネセンスデータ記憶媒体の回転と同期回転し、そして該結晶の該c軸が該光源の偏光方向に平行に維持される、工程;および(b)該ルミネセンスデータ記憶媒体からの該レーザー誘導した蛍光光シグナルを測定して、該ルミネセンスデータ記憶媒体上に記憶された該情報を読み取る工程を含む。 According to a sixteenth broad aspect of the present invention, there is provided a method for reading information stored on a data storage medium, the method comprising: (a) exciting the luminescence data storage medium with a light source to provide the luminescence. A reading laser for generating a fluorescent light signal in a data storage medium, wherein the luminescent data storage medium comprises Al 2 O 3 and the light source has a wavelength in the range of the absorption band of the luminescent data storage medium Generating a beam, and the luminescence data storage medium has an optical c-axis orientation perpendicular to the direction of light propagation of the light source, and the vector of polarization of the light source is determined by the rotation of the luminescence data storage medium. Rotating synchronously and maintaining the c-axis of the crystal parallel to the polarization direction of the light source; and (b) the laser guidance from the luminescent data storage medium By measuring the fluorescence light signal, comprising the step of reading the information stored on the luminescent data storage medium.

本発明の第17の広い局面によれば、データ記憶媒体上に記憶された情報を消去する方法が提供され、該方法は、(a)Alを含むルミネセンスデータ記憶媒体を提供する工程であって、該ルミネセンスデータ記憶媒体がそこに記憶された該情報を有する、工程;および(b)該ルミネセンスデータ記憶媒体を光源で照射して、該情報を消去する工程を含み、該ルミネセンスデータ記憶媒体は、Alを含む基礎材料;マグネシウムを含む第1のドーパント;および炭素を含む第2のドーパントを含み、該ルミネセンスデータ記憶媒体は、多数の少なくとも1つのタイプの酸素空格子点欠損を含み、そして該ルミネセンスデータ記憶媒体は、250±5nm、335±5nm、および620±10nmの領域に吸収帯、750±5nmの領域に発光、および80±10nsの寿命を有する少なくとも1つの色中心を含む。 According to a seventeenth broad aspect of the present invention there is provided a method for erasing information stored on a data storage medium, the method providing (a) a luminescent data storage medium comprising Al 2 O 3. And wherein the luminescence data storage medium has the information stored therein; and (b) illuminating the luminescence data storage medium with a light source to erase the information; The luminescence data storage medium includes a base material comprising Al 2 O 3 ; a first dopant comprising magnesium; and a second dopant comprising carbon, the luminescence data storage medium comprising a number of at least one type And the luminescence data storage medium has absorption bands in the region of 250 ± 5 nm, 335 ± 5 nm, and 620 ± 10 nm, 750 ± Emitting nm region, and 80 comprises at least one color center having a lifetime of ± 10 ns.

本発明の第18の広い局面によれば、Alを含むルミネセンスデータ記憶媒体;該ルミネセンスデータ記憶媒体に情報を書き込むための光源;および該ルミネセンスデータ記憶媒体を回転させるための手段および該光源の偏光のベクトルの回転のための手段を含む装置が提供され、該ルミネセンスデータ記憶媒体の光学c軸は同期回転し、そして該光源の偏光のベクトルに平行である。 According to an eighteenth broad aspect of the present invention, a luminescent data storage medium comprising Al 2 O 3 ; a light source for writing information to the luminescent data storage medium; and for rotating the luminescent data storage medium An apparatus is provided comprising means and means for rotation of the light source polarization vector, wherein the optical c-axis of the luminescent data storage medium is synchronously rotated and parallel to the light source polarization vector.

本発明の第19の広い局面によれば、Alを含むルミネセンスデータ記憶媒体;情報が該ルミネセンスデータ記憶媒体に記憶される場合、該ルミネセンスデータ記憶媒体を励起させて、該ルミネセンスデータ記憶媒体に蛍光光シグナルを発するための第1光源;該発生した蛍光光シグナルを測定するための測定手段;および該ルミネセンスデータ記憶媒体を回転させるための手段および該光源の偏光のベクトルの回転のための手段を含む装置が提供され、該ルミネセンスデータ記憶媒体の光学c軸は同期回転し、そして該光源の偏光のベクトルに平行である。 According to a nineteenth broad aspect of the present invention, a luminescence data storage medium comprising Al 2 O 3 ; when information is stored in the luminescence data storage medium, the luminescence data storage medium is excited to A first light source for emitting a fluorescent light signal to the luminescent data storage medium; a measuring means for measuring the generated fluorescent light signal; and a means for rotating the luminescent data storage medium and the polarization of the light source An apparatus is provided that includes means for vector rotation, the optical c-axis of the luminescent data storage medium is synchronously rotated and parallel to the polarization vector of the light source.

本発明の第20の広い局面によれば、Alを含むルミネセンスデータ記憶媒体;および該ルミネセンスデータ記憶媒体から情報を消去するための光源;および該光源の偏光のベクトルを回転させるための手段を含む装置が提供され、該ルミネセンスデータ記憶媒体の光学c軸は同期回転し、そして該光源の偏光のベクトルに平行である。 According to a twentieth broad aspect of the invention, a luminescent data storage medium comprising Al 2 O 3 ; and a light source for erasing information from the luminescent data storage medium; and rotating the polarization vector of the light source There is provided an apparatus including means for providing that the optical c-axis of the luminescent data storage medium is synchronously rotated and parallel to the vector of polarization of the light source.

本発明の他の目的および特徴は、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかである。   Other objects and features of the invention will be apparent from the following detailed description of the preferred embodiments.

本発明は、添付の図面とともに説明される。   The present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

本発明を説明する前に、いくつかの用語を定義することが好都合である。以下の定義が本出願全体を通して使用されることが理解されるべきである。   Before describing the present invention, it is convenient to define several terms. It should be understood that the following definitions are used throughout this application.

定義
用語の定義が、通常使用される用語の意味から逸脱する場合、出願人は、特に指示しない限り、以下に提供される定義を利用することを意図する。
Where the definition of a definition term deviates from the meaning of a commonly used term, the applicant intends to utilize the definitions provided below unless otherwise indicated.

本発明について、用語「書き込み」とは、データ記憶媒体上に情報を記憶することに関して従来の用語「書き込み」の意味をいう。本発明の好適な実施態様では、情報は、1以上の周波数の「書き込み」レーザービームを用いてデータ記憶媒体に書き込まれる。   For the purposes of the present invention, the term “write” refers to the conventional term “write” with respect to storing information on a data storage medium. In a preferred embodiment of the present invention, information is written to the data storage medium using a “write” laser beam of one or more frequencies.

本発明について、用語「書き込み位置」とは、データ記憶媒体がレーザービームによって書き込まれ得る位置へデータ記憶媒体を配置することをいう。   For the purposes of the present invention, the term “write position” refers to placing the data storage medium at a position where the data storage medium can be written by a laser beam.

本発明について、用語「蛍光シグナルの変調深さ」とは、記録/書き込みの前後の同じ媒体スポットから得られる2つの蛍光シグナルの比として決定された光学データ記憶システムのパラメータをいう。   For the purposes of the present invention, the term “fluorescence signal modulation depth” refers to a parameter of an optical data storage system determined as the ratio of two fluorescence signals obtained from the same media spot before and after recording / writing.

本発明について、用語「多重レベル記録」とは、記憶媒体に情報を書き込む方法をいい、読み取りビームでの読み出しの際に1ビットよりも多いディジタル情報を示すいくつかの不連続な値レベル上にディジタル化され得る読み出し値を生成する。   For the purposes of the present invention, the term “multilevel recording” refers to a method of writing information to a storage medium, on several discrete value levels that represent more than one bit of digital information when reading with a reading beam. Generate readings that can be digitized.

本発明について、用語「書き込み時間」とは、書き込みビームが、蛍光シグナル振幅(蛍光シグナルの変調深さ)の所望の変化を達成するために媒体上のスポットを照射している時間をいう。蛍光シグナル振幅のこのような変化は、所望の変調深さに依存して、1%程度に低くまたは90%を超える程度に高くてもよい。   For the purposes of the present invention, the term “writing time” refers to the time during which the writing beam irradiates a spot on the medium to achieve the desired change in fluorescence signal amplitude (fluorescence signal modulation depth). Such changes in the fluorescence signal amplitude may be as low as 1% or as high as over 90%, depending on the desired modulation depth.

本発明について、用語「読み取り」とは、データ記憶媒体上に記憶された情報を引き出すことに関して従来の用語「読み取り」の意味をいう。本発明の好適な実施態様では、情報は、1以上の周波数のレーザービームを用いてデータ記憶媒体から読み取られる。   For the purposes of the present invention, the term “read” refers to the conventional term “read” with respect to retrieving information stored on a data storage medium. In a preferred embodiment of the invention, information is read from a data storage medium using a laser beam of one or more frequencies.

本発明について、用語「読み取り時間」とは、特定の記憶位置が読み取りレーザーによって照射されている時間をいう。読み取り時間は、定常媒体についておよび媒体を移動するための媒体速度に対する読み取りスポットサイズの比として、読み取りレーザーパルス長に等しい。   For the purposes of the present invention, the term “reading time” refers to the time during which a particular storage location is illuminated by a reading laser. The read time is equal to the read laser pulse length for a stationary medium and as a ratio of the read spot size to the medium speed for moving the medium.

本発明について、用語「消去」とは、ディジタルデータ記憶媒体に関して従来の用語「消去」のあらゆる意味をいう。一般に、消去とは、記憶された情報を含むデータ記憶媒体の1以上のセクションを、そのセクションに記憶された情報を有する前の状態に回復することをいう。   For the purposes of the present invention, the term “erase” refers to any meaning of the conventional term “erase” with respect to digital data storage media. In general, erasing refers to restoring one or more sections of a data storage medium containing stored information to a previous state having the information stored in that section.

本発明について、用語「物理的消去」とは、データ記憶媒体上に予め記憶された情報を除去または破壊することをいう。   For the purposes of the present invention, the term “physical erasure” refers to the removal or destruction of information previously stored on a data storage medium.

本発明について、用語「〜の領域における吸収帯」または「〜の領域における発光帯」とは、適切な領域にピークを有する吸収または発光帯をいう。時々この領域は、特定の波長であり得、そして時々この領域は、帯ピーク位置における潜在的なシフトを示す波長の範囲を含み得る。   In the present invention, the terms “absorption band in the region of” or “emission band in the region of” refer to an absorption or emission band having a peak in an appropriate region. Sometimes this region can be a particular wavelength, and sometimes this region can include a range of wavelengths that indicate a potential shift in the band peak position.

本発明について、用語「結晶質材料」とは、従来の用語「結晶質材料」の意味、すなわち、構造中に規則的または周期的な原子の配置を有する任意の材料をいう。   For the purposes of the present invention, the term “crystalline material” refers to the conventional term “crystalline material”, ie, any material having a regular or periodic arrangement of atoms in the structure.

本発明について、用語「ルミネセンス材料」とは、従来の用語「ルミネセンス材料」のあらゆる意味をいう。   For the purposes of the present invention, the term “luminescent material” refers to any meaning of the conventional term “luminescent material”.

本発明について、用語「データ記憶媒体」とは、データが、一般的にディジタル形態で記憶され得る媒体をいう。   For the purposes of the present invention, the term “data storage medium” refers to a medium on which data can be stored, generally in digital form.

本発明について、用語「ルミネセンスデータ記憶媒体」とは、ルミネセンス材料の一部または全体に含まれるデータ記憶媒体をいう。   For the purposes of the present invention, the term “luminescent data storage medium” refers to a data storage medium contained in part or in whole of the luminescent material.

本発明について、用語「欠損」とは、結晶の格子に関して従来の用語「欠損」の意味、すなわち、結晶の格子における空格子、格子間原子、不純物原子、または任意の他の不完全性をいう。   For the purposes of the present invention, the term “defect” refers to the conventional term “defect” with respect to the crystal lattice, ie, a vacancy, interstitial atom, impurity atom, or any other imperfection in the crystal lattice. .

本発明について、用語「酸素空格子点欠損」とは、結晶質材料の格子における酸素空格子によって生じる欠損をいう。酸素空格子点欠損は、単一の酸素空格子点欠損、2重の酸素空格子点欠損、3重の酸素空格子点欠損、または3重より多い酸素空格子点欠損であり得る。酸素空格子点欠損は、1以上の不純物原子に関連し得るか、または誤入格子間酸素原子のような格子間原子の内在性の欠損に関連し得る。2電子による酸素空格子点の占領によって、中性のF−中心を生じるが、1電子による任意の酸素空格子点の占領によって、F−中心を形成する。F−中心は、格子に対して正の電荷を有する。2重酸素空格子点によって形成される酸素空格子点欠損のクラスターは、Fタイプ中心という。2つのF−中心によって形成されそしてAl格子において隣の天然のAl3+イオンを代用する2つのMg不純物原子によって電荷補償される酸素空格子点欠損のクラスターは、F 2+(2Mg)−中心という。 In the context of the present invention, the term “oxygen vacancy defect” refers to a defect caused by an oxygen vacancy in the lattice of the crystalline material. The oxygen vacancy defect may be a single oxygen vacancy defect, a double oxygen vacancy defect, a triple oxygen vacancy defect, or more than three oxygen vacancy defects. Oxygen vacancy defects can be associated with one or more impurity atoms, or can be associated with intrinsic defects in interstitial atoms such as misinterstitial interstitial oxygen atoms. Occupation of oxygen vacancies by two electrons produces a neutral F-center, but occupation of any oxygen vacancies by one electron forms an F + -center. The F + -center has a positive charge relative to the lattice. A cluster having an oxygen vacancy defect formed by double oxygen vacancies is called an F 2 type center. Two F + - formed by the center and Al 2 O 3 oxygen vacancy defect clusters are charge compensated by two Mg impurity atoms to substitute natural Al 3+ ions beside the grid, F 2 2+ (2Mg -It is called the center.

本発明について、用語「Fタイプ中心」とは、以下の中心のいずれか1つをいう:F−中心、F−中心、F −中心、F ++−中心、F (2Mg)−中心、F ++(2Mg)−中心など。 The present invention, the term "F-type center" refers to any one of the following centers: F- center, F + - center, F 2 + - center, F 2 ++ - center, F 2 + (2Mg ) -Center, F 2 ++ (2Mg) -center, etc.

本発明について、用語「色中心」とは、従来の用語「色中心」の意味、すなわち、結晶の光吸収を生じそして光励起時に光子のルミネセンスを生成する結晶格子における点欠損をいう。結晶質材料における色中心、不純物、または内在性の欠損は、不安定種を生じる。この不安定種または欠損に局在する電子は、光子の光を吸収することによって励起された状態への量子遷移を行い、そして光子のルミネセンスを発光することによって基底状態にもどる量子遷移を行う。本発明の好適な実施態様では、色中心は、約1013cm−3から1019cm−3の濃度で存在する。 For the purposes of the present invention, the term “color center” refers to the conventional term “color center”, that is, a point defect in a crystal lattice that causes light absorption of the crystal and produces photon luminescence upon photoexcitation. Color centers, impurities, or intrinsic defects in crystalline materials produce unstable species. Electrons localized in this unstable species or defect undergo a quantum transition to the excited state by absorbing the photon's light, and return to the ground state by emitting the photon's luminescence. . In a preferred embodiment of the present invention, the color center is present at a concentration of about 10 13 cm −3 to 10 19 cm −3 .

本発明について、用語「ルミネセンス寿命」または「蛍光寿命」とは、ルミネセンスまたは蛍光の指数関数的減衰の時定数をいう。   For the purposes of the present invention, the term “luminescence lifetime” or “fluorescence lifetime” refers to the time constant of the exponential decay of luminescence or fluorescence.

本発明について、用語「広発光帯」とは、0.1eVより大きい半値全幅を有しそして強い電子−フォノン相互作用の結果である発光帯をいう。広発光帯の1例は、約520nmの広発光帯である。   For the purposes of the present invention, the term “broad emission band” refers to an emission band that has a full width at half maximum greater than 0.1 eV and is the result of strong electron-phonon interaction. An example of the wide light emission band is a wide light emission band of about 520 nm.

本発明について、用語「電荷補償した」とは、結晶格子における欠損がもう1つの欠損の電荷を静電気学的に補償することをいう。例えば、本発明の好適な実施態様では、MgおよびC不純物が、F 2+(2Mg)−中心を含む、1酸素空格子点欠損、2酸素空格子点欠損、これらの欠損のクラスターなどを電荷補償するために使用され得る。 For the purposes of the present invention, the term “charge compensated” means that a defect in the crystal lattice compensates electrostatically for the charge of another defect. For example, in a preferred embodiment of the present invention, Mg and C impurities charge 1 oxygen vacancy defects, 2 oxygen vacancy defects, clusters of these defects, etc., including F 2 2+ (2Mg) − centers. Can be used to compensate.

本発明について、用語「2光子吸収または2PA」とは、2光子が色中心の局在化した電子によって同時または連続的に吸収されそして電子が励起状態または結晶の伝導帯に量子遷移する場合の、色中心による光吸収の量子力学的プロセスをいう。   For the purposes of the present invention, the term “two-photon absorption or 2PA” means that two photons are absorbed simultaneously or sequentially by localized electrons at the color center and the electrons undergo a quantum transition to the excited state or the conduction band of the crystal. The quantum mechanical process of light absorption by the color center.

本発明について、用語「1光子吸収または1PA」とは、1光子のみが色中心の局在化した電子によって吸収されそして電子が結晶の伝導帯に転送されることなく励起状態に量子遷移する場合の、色中心による光吸収の量子力学的プロセスをいう。   For the present invention, the term “one-photon absorption or 1PA” means that only one photon is absorbed by a localized electron at the color center and the electron makes a quantum transition to the excited state without being transferred to the conduction band of the crystal. The quantum mechanical process of light absorption by the color center.

本発明について、用語「多光子吸収」とは、1より多くの光子が色中心の局在化した電子によって吸収される場合の、色中心による光吸収の量子力学的プロセスをいう。   For the present invention, the term “multiphoton absorption” refers to a quantum mechanical process of light absorption by a color center when more than one photon is absorbed by a localized electron at the color center.

本発明について、用語「レーザー光出力密度」または「レーザー光強度」とは、1秒当たりに媒体を通って伝搬するレーザービームの平均光エネルギーとして測定されそしてレーザービームのくびれによって分割された物理量をいう。   For the purposes of the present invention, the term “laser light power density” or “laser light intensity” refers to a physical quantity measured as the average light energy of a laser beam propagating through a medium per second and divided by the constriction of the laser beam. Say.

本発明について、用語「室内灯に実質的に不感受性」とは、結晶質材料が周囲光条件下でのトラップにおける着色または電子の濃度(不安定種の濃度)を著しく変化しないことをいう。   For the present invention, the term “substantially insensitive to room light” means that the crystalline material does not significantly change the color or concentration of electrons (concentration of unstable species) in the trap under ambient light conditions.

本発明について、用語「長期データ記憶のために用いられ得る」とは、結晶質材料が、周囲温度でトラップにおける着色または電子の濃度(不安定種の濃度)を著しく変化しないことをいう。   For the present invention, the term “can be used for long-term data storage” means that the crystalline material does not significantly change the color or concentration of electrons (the concentration of unstable species) in the trap at ambient temperature.

本発明について、用語「光イオン化断面積」とは、色中心の光イオン化を行うために単位面積当たりどれくらいの光エネルギーを必要とするかを決定するcm/Jの次元を有するパラメータをいう。光イオン化断面積が大きいほど、イオン化(ビットの記録)を行うために必要とされる単位面積当たりのエネルギーが少ないことを意味する。 For the purposes of the present invention, the term “photoionization cross section” refers to a parameter having a dimension of cm 2 / J that determines how much light energy per unit area is required to perform color center photoionization. A larger photoionization cross section means that less energy per unit area is required to perform ionization (bit recording).

本発明について、用語「蛍光収量」とは、このルミネセンス材料によって吸収される光子の数に対するルミネセンス材料によって発光される光子の数の比として決定されるパラメータをいう。   For the purposes of the present invention, the term “fluorescence yield” refers to a parameter determined as the ratio of the number of photons emitted by the luminescent material to the number of photons absorbed by the luminescent material.

本発明について、用語「電子トラップ」とは、局在化した電子状態を生じることができそして結晶質材料の伝導帯からの遊離の電子を捕獲し得る、結晶格子における構造欠損をいう。   For the purposes of the present invention, the term “electron trap” refers to a structural defect in the crystal lattice that can produce localized electronic states and can capture free electrons from the conduction band of the crystalline material.

本発明について、用語「正孔トラップ」とは、局在化した電子状態を生じることができそして結晶質材料の伝導帯からの遊離の正孔を捕獲し得る、結晶格子における構造欠損をいう。   For the purposes of the present invention, the term “hole trap” refers to a structural defect in the crystal lattice that can produce localized electronic states and can capture free holes from the conduction band of the crystalline material.

本発明について、用語「深いトラップ」とは、kTより大きい熱活性化エネルギーを有する電子または正孔トラップをいい、ここでTは結晶の絶対温度でありそしてkはボルツマン定数である。   For the purposes of the present invention, the term “deep trap” refers to an electron or hole trap having a thermal activation energy greater than kT, where T is the absolute temperature of the crystal and k is the Boltzmann constant.

本発明について、用語「有効な深いトラップ」とは、電子または正孔をトラップし得、そして十分な捕獲断面積を有する深いトラップをいう。   For the purposes of the present invention, the term “effective deep trap” refers to a deep trap that can trap electrons or holes and has a sufficient capture cross section.

本発明について、用語「多重レベル光学データ記憶」または「多値光学データ記憶」とは、データ記憶システムが多くの量子化データまたは2より多くのシグナルレベルを有する媒体において同じ物理的位置からのデータの記録および読み取りを行う能力をいう。   For the present invention, the terms “multilevel optical data storage” or “multilevel optical data storage” refer to data from the same physical location in a medium in which the data storage system has a lot of quantized data or more than two signal levels. The ability to record and read.

本発明について、用語「共焦点検出」とは、蛍光シグナルを光学的に検出する方法をいい、ここで、光学読み取り/書き込みヘッドの媒体内部の焦点平面は、蛍光データ記憶媒体の投影スポットの回折限界スポットサイズに匹敵またはそれよりも小さいサイズを有する開口または開口のセットを含む平面上に光学的に再結像される。   For the present invention, the term “confocal detection” refers to a method of optically detecting a fluorescence signal, where the focal plane inside the medium of the optical read / write head is the diffraction of the projected spot of the fluorescence data storage medium. Optically re-imaged onto a plane containing an aperture or set of apertures having a size comparable to or smaller than the critical spot size.

本発明について、用語「球面収差補正(SAC)」とは、高い開口数の対物レンズ(少なくとも0.35のNA)が記憶媒体のボリューム内部の異なる深さに集束される場合に生じる球面収差を補正または修正するための技法をいう。球面収差修正は、集束する深さで回折限界スポットサイズを達成する媒体内部の焦点の深さに依存して、集束するレンズの特性を動的に変化させることによって、媒体のより大きい深さ、好適には500ミクロンより大きい深さに回折限界スポットサイズを維持することを可能にする。   For the present invention, the term “spherical aberration correction (SAC)” refers to the spherical aberration that occurs when a high numerical aperture objective lens (NA of at least 0.35) is focused to different depths inside the volume of the storage medium. A technique for correcting or correcting. Spherical aberration correction depends on the depth of focus inside the medium to achieve a diffraction-limited spot size at the focusing depth, by dynamically changing the characteristics of the focusing lens, thereby increasing the depth of the medium, It makes it possible to maintain the diffraction limited spot size at a depth preferably greater than 500 microns.

本発明について、用語「c軸」または「光学c軸」とは、光学の分野におけるこれらの用語の従来の意味をいう。c軸の1例を以下に記載し、そして図24Aおよび24Bに示す。   For the purposes of the present invention, the term “c-axis” or “optical c-axis” refers to the conventional meaning of these terms in the field of optics. One example of a c-axis is described below and is shown in FIGS. 24A and 24B.

説明
大量データ記憶のための高容量および高転送速度のコンピュータデバイスの必要性は、2以上の安定な配置で存在し得る新しいタイプの媒体の検討を促進している。1つの配置からもう一方へ記憶媒体を転送することによって、情報のビットを書き込みそして消去し得るが、媒体の配置を分析することによってビットの読み取りが認識される。データ記憶およびデータ処理についての多くの材料および技法が示唆されているが、これらの2〜3の技法のみで実際の適用が見られている。多くの必要性のため、好ましくはこれらのすべての必要性を満たす光学データ記憶デバイス用の媒体を開発することは非常に困難である。以下の文献(これらの内容および開示は、本明細書に参考として援用される)は、試みられているいくつかの技法を記載している:E.P. Walkerら, 3-D Parallel Readout in a 3-D Multilayer Optical Data Storage System, Technical Digest of Joint International Symposium on Optical Memory and Optical Data Storage, IEEEカタログ番号02EX552, 147-149頁, (2002年7月);Optical Data Storage 2001, Proceedings of SPIE, 4342巻 (2001);Optical Data Storage 2000, Proceedings of SPIE, 4090巻 (2000);International Symposium on Optical Memory and Optical Data Storage 1999, SPIE, 3864巻 (1999);Advanced Optical Data Storage: Materials, Systems, and Interfaces to Computers, Proceedings of SPIE, 3802巻 (1999);およびK. Schwartz, The physics of optical recording, 第4章, 89-111頁, Springer-Verlag, Germany (1993);これらの全体の内容および開示は、本明細書に参考として援用される。
Description The need for high capacity and high transfer rate computing devices for mass data storage has prompted the exploration of new types of media that can exist in more than one stable arrangement. By transferring the storage medium from one arrangement to the other, bits of information can be written and erased, but reading the bit is recognized by analyzing the arrangement of the medium. Many materials and techniques for data storage and data processing have been suggested, but only a few of these techniques have found practical application. Because of the many needs, it is very difficult to develop media for optical data storage devices that preferably meet all these needs. The following documents (the contents and disclosure of which are incorporated herein by reference) describe several techniques that have been attempted: EP Walker et al., 3-D Parallel Readout in a 3- D Multilayer Optical Data Storage System, Technical Digest of Joint International Symposium on Optical Memory and Optical Data Storage, IEEE Catalog Number 02EX552, 147-149, (July 2002); Optical Data Storage 2001, Proceedings of SPIE, Volume 4342 ( 2001); Optical Data Storage 2000, Proceedings of SPIE, 4090 (2000); International Symposium on Optical Memory and Optical Data Storage 1999, SPIE, 3864 (1999); Advanced Optical Data Storage: Materials, Systems, and Interfaces to Computers , Proceedings of SPIE, 3802 (1999); and K. Schwartz, The physics of optical recording, Chapter 4, pages 89-111, Springer-Verlag, Germany (1993); Incorporated herein by reference.

好ましくはデータ記憶デバイスが満たすより重要な必要性のいくつかは、以下のものである:データを繰り返して書き込み、読み取り、そして消去する能力(>10サイクル);単位容量または面積当たりの高密度のビット(>1011cm−3);高データ転送速度(>10ビット/秒);最小アクセス時間(<10−2秒);記憶媒体の長寿命(>10年)および記憶媒体に記憶される情報の非揮発性;媒体特性の環境安定性;記憶されるデータの安全性;およびデータエラー修正を行う能力。 Some of the more important needs that data storage devices preferably meet are: the ability to repeatedly write, read and erase data (> 10 6 cycles); high density per unit capacity or area Bits (> 10 11 cm −3 ); high data transfer rate (> 10 7 bits / second); minimum access time (<10 −2 seconds); long life of storage medium (> 10 years) and storage on storage medium Non-volatility of stored information; environmental stability of media characteristics; safety of stored data; and ability to perform data error correction.

所望の特性を達成するために従来の磁気誘導方法と競合するまたはこれにとって代わることが可能であり得る記憶デバイスを提供するためのいくつかの方法が試みられている。これらの方法のうち、以下のものを使用することが試みられている:磁気光学および電気光学効果(ポッケルス効果、カー効果、ファラデー効果、光屈折効果など)、染料ポリマーおよび無機結晶におけるフォトクロミック効果、およびレーザービームで加熱されているスポットでの記憶媒体における相転移。これらの方法のいくつかは、うまく認識されており、そしてCD−RWおよびDVD−RWならびに磁気光学WREM(書き込み−読み取り−消去−メモリー)ディスクおよびドライブの形態の相変化媒体の形態で、既に市場に出ている。近視野固体界浸レンズ記録、および原子間力顕微鏡のような他の方法はめったに議論されない。Ingolf Sander (Constellation 3D, Inc.), Fluorescent Multilayer Technology, Alternative Storage Technologies Symposium 2001, Monterey California, 2001年6月26日を参照のこと;この全体の内容および開示は、本明細書に参考として援用される。   Several methods have been attempted to provide storage devices that may be able to compete or replace conventional magnetic induction methods to achieve the desired properties. Of these methods, attempts have been made to use the following: magneto-optic and electro-optic effects (Pockels effect, Kerr effect, Faraday effect, photorefractive effect, etc.), photochromic effects in dye polymers and inorganic crystals, And phase transitions in the storage medium at a spot heated by a laser beam. Some of these methods are well recognized and are already on the market in the form of phase change media in the form of CD-RW and DVD-RW and magneto-optical WREM (write-read-erase-memory) disks and drives. Out. Other methods such as near-field solid immersion lens recording and atomic force microscopy are rarely discussed. See Ingolf Sander (Constellation 3D, Inc.), Fluorescent Multilayer Technology, Alternative Storage Technologies Symposium 2001, Monterey California, June 26, 2001; the entire content and disclosure of which is incorporated herein by reference. The

2D(薄膜)媒体を使用する上記の従来の技法のほとんどは、最小の達成可能な集束レーザー光スポットによって、または磁壁(超常磁性的効果)の熱不安定性による磁気記録の場合に生じる、記憶密度の基本的な限界に近づいている。これらの限界を克服するための最も有望な方法は、容積(3D空間)記録を使用することであり得る。3Dタイプのデータ記憶の中で、研究されているデータ記憶のタイプのほとんどは、ディジタルホログラフィー(Holographic data storage (H.J. Coufal, D. Psaltis, G. Sincerbox編), Springer 2000, 488頁を参照のこと)、および容積多層1ビット記録(Confocal and Two Photon Microscopy, Foundations, Applications, and Advances (Alberto Diaspro編) Wiley-Liss, 2002, 567頁を参照のこと)の領域である。上記文献の全体の内容および開示は、本明細書に参考として援用される。   Most of the above conventional techniques using 2D (thin film) media have the storage density caused by the minimum achievable focused laser light spot or in the case of magnetic recording due to thermal instability of the domain wall (superparamagnetic effect) Approaching the basic limits of The most promising way to overcome these limitations may be to use volume (3D space) recording. Among the 3D type data storage, most of the types of data storage being studied can be found in Holographic data storage (HJ Coufal, D. Psaltis, G. Sincerbox), Springer 2000, p. 488. ), And volume multilayer 1-bit recording (Confocal and Two Photon Microscopy, Foundations, Applications, and Advances (edited by Alberto Diaspro) Wiley-Liss, 2002, page 567). The entire contents and disclosure of the above documents are incorporated herein by reference.

フォトポリマー、フォトクロミック材料、および光屈折結晶などのいくつかの種類の材料が、共焦点検出機構で可能性のある記録媒体として提案されており、このとき、媒体のボリューム中の1ビットは、高ピーク出力の短パルスレーザービームの2光子吸収(2PA)を用いる局所屈折率変化として書き込まれ得、そして記録されたデータは、読み取りレーザー光の反射の変化を測定することによって読み取られる。Stricklerらの米国特許第5,289,407号;James H. Strickler, Watt W. Webb, Three-dimensional optical data storage in refractive media by two-photon point excitation, Optics Letters, 16巻, Issue 22, 1780-82, 1991年11月;Y. Kawata, H. Ishitobi, S. Kawata, Use of two-photon absorption in a photorefractive crystal for three-dimensional optical memory, Optics Letters, 23巻, Issue 10, 756-758, 1998年5月;A. Toriumi, J.M. Herrmann, S. Kawata, Nondestructive readout of a three-dimensional photochromic optical memory with a near-infrared differential phase-contrast microscope, Optics Letters, 22巻, Issue 8, 555-557, 1997年4月;M. Ishikawa, Y. Kawata, C. Egami, O. Sugihara, N. Okamoto, M. Tsuchimori, O. Watanabe, Reflection-type confocal readout for multilayered optical memory, Optics Letters, 23巻, Issue 22, 1781-1783, 1998年11月;A. Toriumi, S. Kawata, M. Gu, Reflection confocal microscope readout system for three-dimensional photochromic optical data storage, Optics Letters, 23巻, Issue 24, 1924-1926, 1998年12月;Min Gu, Daniel Day, Use of continuous-wave illumination for two-photon three-dimensional optical bit data storage in a photo-bleaching polymer, Optics Letters, 24巻, Issue 5, 288-290, 1999年3月;Yoshimasa Kawata, Takuo Tanaka, Satoshi Kawata. Randomly accessible, multilayered optical memory with a Bi12SiO20 crystal, Applied Optics-IP, 35巻, Issue 26, 5308-5311, 1996年9月;Daniel Day, Min Gu, Andrew Smallridge, Use of two-photon excitation for erasable rewritable three-dimensional bit optical data storage in a photo-refractive polymer, Optics Letters, 24巻, Issue 14, 948-950, 1999年7月;Y. Shen, J. Swiatkiewicz, D.l Jakubczyk, F. Xu, P.N. Prasad, R.A. Vaia, B.A Reinhardt, High-Density Optical Data Storage With One-Photon and Two-Photon Near-Field Fluorescence Microscopy, Applied Optics, 40巻, 6号, 938-940, 2001年2月;T. Wilson, Y. Kawata, S. Kawata, Readout of Three-Dimensional Optical Memories, Optics Letters, 21巻, 13号, 1003-1005, 1996年7月;H. Ueki, Y. Kawata, S. Kawata, Three-Dimensional Optical Bit-Memory Recording and Reading With a Photorefractive Crystal: Analysis and Experiment, Applied Optics, 35巻, 14号, 2457-2465, 1996年5月;Min Gu, Confocal Readout of Three-Dimensional Data Bits Recorded by the Photorefractive Effect Under Single-Photon and Two-Photon Excitation, Proceedings of the IEEE, 87巻, 12号, 2021-2029, 1999年12月を参照のこと;これらの全体の内容および開示は、本明細書に参考として援用される。 Several types of materials, such as photopolymers, photochromic materials, and photorefractive crystals, have been proposed as potential recording media with confocal detection mechanisms, where one bit in the volume of the media is high It can be written as a local refractive index change using two-photon absorption (2PA) of a peak output short pulse laser beam and the recorded data is read by measuring the change in the reflection of the reading laser light. Strickler et al., US Pat. No. 5,289,407; James H. Strickler, Watt W. Webb, Three-dimensional optical data storage in refractive media by two-photon point excitation, Optics Letters, 16, Issue 22, 1780-82, 1991 November; Y. Kawata, H. Ishitobi, S. Kawata, Use of two-photon absorption in a photorefractive crystal for three-dimensional optical memory, Optics Letters, 23, Issue 10, 756-758, May 1998; A. Toriumi, JM Herrmann, S. Kawata, Nondestructive readout of a three-dimensional photochromic optical memory with a near-infrared differential phase-contrast microscope, Optics Letters, 22, Issue 8, 555-557, April 1997; M. Ishikawa, Y. Kawata, C. Egami, O. Sugihara, N. Okamoto, M. Tsuchimori, O. Watanabe, Reflection-type confocal readout for multilayered optical memory, Optics Letters, 23, Issue 22, 1781-1783 , November 1998; A. Toriumi, S. Kawata, M. Gu, Reflection confocal microscope readout system for three-dimensional photochromic optical data storage, Optics Letters, 23, Issue 24, 1924-1926, December 1998; Min Gu, Daniel Day, Use of continuous-wave illumination for two-photon three-dimensional optical bit data storage in a photo-bleaching polymer, Optics Letters, 24 , Issue 5, 288-290, March 1999; Yoshimasa Kawata, Takuo Tanaka, Satoshi Kawata. Randomly accessible, multilayered optical memory with a Bi 12 SiO 20 crystal, Applied Optics-IP, 35, Issue 26, 5308-5311 , September 1996; Daniel Day, Min Gu, Andrew Smallridge, Use of two-photon excitation for erasable rewritable three-dimensional bit optical data storage in a photo-refractive polymer, Optics Letters, 24, Issue 14, 948-950 , July 1999; Y. Shen, J. Swiatkiewicz, Dl Jakubczyk, F. Xu, PN Prasad, RA Vaia, BA Reinhardt, High-Density Optical Data Storage With One-Photon and Two-Photon Near-Field Fluorescence Microscopy, Applied Optics, 40, 6, 938-940, February 2001; T. Wilson, Y. Kawata, S. Kawata, Readout of Three-Dimensional Optical Memories, Optics Letters, 21, 13, 1003 -1005, July 1996; H. Ueki, Y. Kawata, S. Kawata, Three-Dimensional Optical Bit-Memory Recording and Reading With a Photorefractive Crystal: Analysis and Experiment, Applied Optics, 35, 14, 14457- 2465, May 1996; Min Gu, Confocal Readout of Three-Dimensional Data Bits Recorded by the Photorefractive Effect Under Single-Photon and Two-Photon Excitation, Proceedings of the IEEE, Vol. 87, No. 12, 2021-2029, 1999 See December; the entire contents and disclosures of these are hereby incorporated by reference.

1ビットマイクロホログラムは、ビット反射性ならびに信号対雑音および搬送波対雑音比(それぞれSNRおよびCNR)を増加させる方法として示唆された。Cumpstonらの米国特許第6,322,931号;Daiberらの米国特許第6,322,933号;H.J. Eichler, P. Kuemmel, S. Orlic, A. Wappelt, High-Density Disk Storage by Multiplexed Microholograms, IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Eletronics, 4巻, 5号, 840-848, 1998年9月/10月;Y. Kawata, M. Nakano, Suk-Chun Lee, Three-Dimensional Optical Data Storage Using Three-Dimensional Optics, Optical Engineering, 40巻, 10号, 2247-2254, 2001年10月を参照のこと;これらの全体の内容および開示は、本明細書に参考として援用される。   1-bit micro-holograms have been suggested as a way to increase bit reflectivity and signal-to-noise and carrier-to-noise ratios (SNR and CNR, respectively). US Patent No. 6,322,931 to Cumpston et al .; US Patent No. 6,322,933 to Daiber et al .; HJ Eichler, P. Kuemmel, S. Orlic, A. Wappelt, High-Density Disk Storage by Multiplexed Microholograms, IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Eletronics , Vol. 4, No. 5, 840-848, September / October 1998; Y. Kawata, M. Nakano, Suk-Chun Lee, Three-Dimensional Optical Data Storage Using Three-Dimensional Optics, Optical Engineering, 40, No. 10, 2247-2254, October 2001; the entire contents and disclosures of which are hereby incorporated by reference.

3Dの1ビット光学データ記憶のためのいくつかのタイプのフォトクロミック材料が提案されている:ポリマーマトリクス中で分散した有機蛍光染料は、照射の結果として化学的または構造的コンホメーション、分散、および重合化を受ける。蛍光フォトポリマーにおける2光子吸収および共焦点検出機構も用いられている:Rentzepisらの米国特許第5,325,324号;D.A. ParthenopoulosおよびP.M. Rentzepis, Three-Dimensional Optical Storage Memory, Science, 245巻, 843-845頁、1989;Daniel Day, Min Gu, Effects of Refractive-Index Mismatch on Three-Dimensional Optical Data-Storage Density in a Two-Photon Bleaching Polymer, Applied Optics-IP, 37巻, Issue 26, 6299-6304, 1998年9月;Mark M. Wang, Sadik C. Esener, Three-Dimensional Optical Data Storage in a Fluorescent Dye-Doped Photopolymer, Applied Optics, 39巻, 11号, 1826-1834, 2000年4月;E.P. Walker, X. Zheng, F.B. McCormick, H. Zhang, N.-H. Kim, J. Costa, A.S. Dvornikov, Servo Error Signal Generation for 2-Photon Recorded Monolithic Multilayer Optical Data Storage, Optical Data Storage 2000, Proceedings of SPIE 4090巻, 179-184頁, 2000;H. Zhang, A.S. Dvornikov, E.P. Walker, N.-H. Kim, F.B. McCormick, Single Beam Two-Photon-Recorded Monolithic Multi-layer Optical Disks, Optical Data Storage 2000, Proceedings of SPIE 4090巻, 174-178頁, 2000;Y. Zhang, T.D. Milster, J. Butz, W. Bletcher, K.J. Erwin, E. Walker, Signal, Cross Talk and Signal to Noise Ratio in Bit-Wise Volumetric Optical Data Storage, Technical Digest of Joint International Symposium on Optical Memory and Optical Data Storage, IEEEカタログ番号02EX552, 246-248頁, 2002;E.P. Walker, W. Feng, Y. Zhang, H. Zhang, F.B. McCormick, S. Esener, 3-D Parallel Readout in a 3-D Multilayer Optical Data Storage System, Technical Digest of Joint International Symposium on Optical Memory and Optical Data Storage, IEEEカタログ番号02EX552, 147-149頁, 2002;およびIngolf Sander (Constalation 3D, Inc.) Fluorescent multilayer technology, Alternative Storage Technologies Symposium 2001, Monterey California, 2001年6月26日を参照のこと;これらの全体の内容および開示は、本明細書に参考として援用される。   Several types of photochromic materials for 3D 1-bit optical data storage have been proposed: organic fluorescent dyes dispersed in a polymer matrix can be chemically or structurally conformed, dispersed, and as a result of irradiation Undergo polymerization. Two-photon absorption and confocal detection mechanisms in fluorescent photopolymers have also been used: Rentzepis et al. US Pat. No. 5,325,324; DA Parthenopoulos and PM Rentzepis, Three-Dimensional Optical Storage Memory, Science, 245, 843-845, 1989; Daniel Day, Min Gu, Effects of Refractive-Index Mismatch on Three-Dimensional Optical Data-Storage Density in a Two-Photon Bleaching Polymer, Applied Optics-IP, 37, Issue 26, 6299-6304, September 1998 Mark M. Wang, Sadik C. Esener, Three-Dimensional Optical Data Storage in a Fluorescent Dye-Doped Photopolymer, Applied Optics, 39, 11, 1826-1834, April 2000; EP Walker, X. Zheng, FB McCormick, H. Zhang, N.-H. Kim, J. Costa, AS Dvornikov, Servo Error Signal Generation for 2-Photon Recorded Monolithic Multilayer Optical Data Storage, Optical Data Storage 2000, Proceedings of SPIE 4090, 179-184 Page, 2000; H. Zhang, AS Dvornikov, EP Walker, N.-H. Kim, FB McCormick, Single Beam Two-Photon-Record ed Monolithic Multi-layer Optical Disks, Optical Data Storage 2000, Proceedings of SPIE 4090, 174-178, 2000; Y. Zhang, TD Milster, J. Butz, W. Bletcher, KJ Erwin, E. Walker, Signal, Cross Talk and Signal to Noise Ratio in Bit-Wise Volumetric Optical Data Storage, Technical Digest of Joint International Symposium on Optical Memory and Optical Data Storage, IEEE Catalog Number 02EX552, 246-248, 2002; EP Walker, W. Feng, Y Zhang, H. Zhang, FB McCormick, S. Esener, 3-D Parallel Readout in a 3-D Multilayer Optical Data Storage System, Technical Digest of Joint International Symposium on Optical Memory and Optical Data Storage, IEEE Catalog Number 02EX552, 147 -149, 2002; and Ingolf Sander (Constalation 3D, Inc.) Fluorescent multilayer technology, Alternative Storage Technologies Symposium 2001, Monterey California, June 26, 2001; Incorporated herein by reference.

データ記憶媒体としてルミネセンス材料を用いることは、多重レベル(または多値)光学データ記憶を認識する能力のため、特に魅力的である。ルミネセンス応答は、「書き込み」および「読み取り」中に媒体に置かれたエネルギーの産物に比例する。1ビットの情報に対応するボリュームで電子転移を受ける欠損の濃度が十分に大きいならば、光感受性媒体の元素は「グレースケール」態様で用いられ得、そして光学データ記憶システムは多重レベル(または多値)データ記憶システムとして用いられ得る。可能性のある記憶容量は、確実に達成されるデータレベルの数に比例して増加する。ルミネセンス応答の全体の直線性は、数桁の大きさにわたって広がり得る。媒体の種々の論理的な状態は、種々の強度のルミネセンスシグナルによって示されそして閾値電子回路を用いてディジタル化され得る。実際に、10レベルの蛍光強度は、レーザー「書き込み」ビームのエネルギーまたは時間を変化させることによって達成され得る。データ記憶の密度の増加は、本発明のルミネセンス技法の主な可能性のある有利点の1つである。   The use of luminescent materials as data storage media is particularly attractive because of its ability to recognize multilevel (or multivalued) optical data storage. The luminescence response is proportional to the product of energy placed on the medium during “writing” and “reading”. If the concentration of defects that undergo electron transfer in a volume corresponding to one bit of information is sufficiently large, the elements of the photosensitive medium can be used in a “grayscale” manner and the optical data storage system can be multi-level (or multi-level). Value) can be used as a data storage system. The potential storage capacity increases in proportion to the number of data levels that are reliably achieved. The overall linearity of the luminescence response can extend over several orders of magnitude. Various logical states of the media are indicated by luminescence signals of various intensities and can be digitized using threshold electronics. Indeed, ten levels of fluorescence intensity can be achieved by varying the energy or time of the laser “writing” beam. Increased data storage density is one of the main potential advantages of the luminescence technique of the present invention.

データ記憶媒体への書き込みまたはそこからの読み取りに対する同様のアプローチは、放射線量計測で用いられる銀ドープした光ルミネセンスガラスで証明されている。B. Lommler, E. Pitt, A. Scharmann, Optical creation of radiophotoluminescence centers in dosimeter glass by two photon absorption, Radiat. Prot. Dosim. 65巻, 1-4号, 101-104頁 (1996)を参照のこと;この全体の内容および開示は、本明細書に参考として援用される。2光子UV励起(「書き込み」)は、情報の測定可能な消去を伴わずに、より低い出力で、同じレーザーで繰り返して「読み取られ」得る光ルミネセンスシグナルを生じる。媒体を加熱することのなくどのようにこのようなデータが「消去」され得るかは、明らかではない。複雑化もまた、ルミネセンスシグナルの「構築」に導く拡散およびルミネセンス中心転換の長期プロセスによって引き起こされ得る。   A similar approach to writing to or reading from data storage media has been demonstrated with silver-doped photoluminescent glasses used in radiation dosimetry. See B. Lommler, E. Pitt, A. Scharmann, Optical creation of radiophotoluminescence centers in dosimeter glass by two photon absorption, Radiat. Prot. Dosim. 65, 1-4, 101-104 (1996). The entire contents and disclosure of which is hereby incorporated by reference. Two-photon UV excitation (“writing”) produces a photoluminescence signal that can be repeatedly “read” with the same laser at a lower power without measurable erasure of information. It is not clear how such data can be “erased” without heating the medium. Complexity can also be caused by long-term processes of diffusion and luminescence center conversion leading to the “construction” of luminescence signals.

従来のデータ記憶システムの限界を克服するための見込みのある方法は、容積または3D記録を使用することである。3D技術の中で、2光子吸収(2PA)での多層1ビット記録は、いくつかの明らかな有利点がある。2光子吸収の確率は、レーザー光強度の2乗に比例する。2光子吸収は、材料の周囲ボリュームに影響を与えることなく堅く集束したレーザービーム付近でのみ光感受性媒体の光イオン化または光転換を行うことを可能にする。2PAを用いて書き込んだ1つの3次元ビットまたはボクセルのサイズは、1×1×3μmもの小ささで作成され得る。10Tビット/インチまでの非常に高い記憶密度が予測される。 A promising way to overcome the limitations of conventional data storage systems is to use volume or 3D recording. Among 3D technologies, multilayer 1-bit recording with two-photon absorption (2PA) has several obvious advantages. The probability of two-photon absorption is proportional to the square of the laser light intensity. Two-photon absorption allows photoionization or photoconversion of the photosensitive medium only in the vicinity of a tightly focused laser beam without affecting the surrounding volume of the material. The size of one three-dimensional bit or voxel written using 2PA can be made as small as 1 × 1 × 3 μm. Very high storage densities up to 10 Tbit / inch 3 are expected.

本発明に従って構築した装置を図1に示し、以下でより詳細に説明する。青色レーザーダイオードに基づく2レーザーを用いて、データを記憶媒体に書き込みそしてそこから読み取る。より短い波長を有するより高出力のCWレーザーからの2光子吸収が、データを記録するために用いられる。対物レンズの高NAは、達成されるべき2PAおよび回折限界の記録されたビットサイズ形成に必要とされるレーザー光の高強度を可能にする。低エネルギーおよびより長い波長レーザーによって誘導される1光子誘導蛍光ならびに共焦点検出機構は、データを記録するために用いられ得る。共焦点検出は、所望の搬送波対雑音比(CNR)を達成する目的で、隣接するビットとトラックと層との間のクロストークを著しく減少させる。   An apparatus constructed in accordance with the present invention is shown in FIG. 1 and described in more detail below. Data is written to and read from the storage medium using two lasers based on a blue laser diode. Two-photon absorption from higher power CW lasers with shorter wavelengths is used to record data. The high NA of the objective lens allows the high intensity of the laser light required for 2PA to be achieved and the diffraction limited recorded bit size formation. One-photon induced fluorescence and confocal detection mechanisms induced by low energy and longer wavelength lasers can be used to record data. Confocal detection significantly reduces crosstalk between adjacent bits, tracks and layers in order to achieve a desired carrier-to-noise ratio (CNR).

本発明の重要な目的は、2PAの高い確率を用いて書込み操作を行い、そして読み出し中に2PAの確率を低下させることによって読み取り操作を非破壊的にする方法および装置を提供することである。同時に、本発明の方法および装置は、許容可能なCNRおよび高データ転送速度を達成するために必要とされる可能な最高レベルで、読み出し中の1PAおよびレーザー誘導蛍光を使用する。   An important object of the present invention is to provide a method and apparatus for performing a write operation with a high probability of 2PA and making the read operation non-destructive by reducing the probability of 2PA during read. At the same time, the method and apparatus of the present invention uses 1PA and laser induced fluorescence during readout at the highest possible level required to achieve acceptable CNR and high data transfer rates.

上記の種々の記憶媒体の問題のほとんどは、不適切な材料特性に関連している。1ビットまたはホログラフィックデータ記憶について示唆されたフォトポリマーのほとんどは、光感受性を示すが、強い寸法収縮を示す。光感受性ポリマーのほとんどは、WORM媒体(1回書き込み、多数回読み取り)としてのみ使用され得るが、書き換え可能なフォトポリマーは、未だ不安定であり、そして書き込み−読み取りサイクルが多数回繰り返されると、著しい疲労を示す。1回書き込み蛍光フォトポリマーでさえも、繰り返して読み取る場合、蛍光出力シグナルの強い低下を示す。Ti−サファイアレーザーは大きく、高価であり、そして通常には主として研究室のデモンストレーションに適切であるので、容積1ビット記録についてテストしたほとんどの示唆されたフォトポリマーおよび光屈折結晶についてのさらなる障害は、有効な2光子吸収を達成するためにフェムト秒の高ピーク出力のTi−サファイアレーザーを使用する必要があることである。   Most of the problems with the various storage media described above are related to inappropriate material properties. Most of the photopolymers suggested for 1-bit or holographic data storage are light sensitive but exhibit strong dimensional shrinkage. Most of the photosensitive polymers can only be used as WORM media (one write, many reads), but the rewritable photopolymer is still unstable and when the write-read cycle is repeated many times, Exhibits significant fatigue. Even single-write fluorescent photopolymers show a strong decrease in fluorescence output signal when read repeatedly. Since Ti-sapphire lasers are large, expensive, and usually suitable primarily for laboratory demonstrations, further obstacles to most suggested photopolymers and photorefractive crystals tested for volume 1-bit recording are: To achieve effective two-photon absorption, it is necessary to use a femtosecond high peak power Ti-sapphire laser.

したがって、本発明の目的は、1ビット光学記録および読み取りのための有効かつ安定な無機フォトクロミック蛍光材料の利用である。   Accordingly, an object of the present invention is the use of an effective and stable inorganic photochromic fluorescent material for 1-bit optical recording and reading.

書き込み中にレーザー光でのイオン化によって発生する電子を捕獲することに寄与するトラップの低い熱エネルギー深さにより、周囲温度でのトラップからの電子の熱刺激された放出および記憶されたデータのフェージングが引き起こされる。一般的に、これは、特に、アナログルミネセンスシグナルの正確なディジタル化を必要とする多値記憶に関しては、受け入れならない。さらに、いくつかのルミネセンス材料の化学的不安定性ならびに空気と接触した場合の酸化および湿度に対する感受性は、保護層の使用を必要とする。いくつかの有機蛍光材料では、光化学転換および重合の結果としての材料収縮のため、寸法安定性は、重要な問題である。   The trap's low thermal energy depth, which contributes to trapping electrons generated by ionization with laser light during writing, results in thermally stimulated emission of electrons from the trap at ambient temperature and fading of stored data. Is caused. In general, this is unacceptable, especially for multilevel storage that requires accurate digitization of the analog luminescence signal. Furthermore, the chemical instability of some luminescent materials and the sensitivity to oxidation and humidity when in contact with air requires the use of a protective layer. In some organic fluorescent materials, dimensional stability is an important issue because of material shrinkage as a result of photochemical conversion and polymerization.

10−12〜10−9の程度の緩和時間での光励起によって生じる固体の電子遷移は、基本的に非常に速く、そして大量の光学データ記憶についての最も有望な量子系の中にあると考えられる。レーザー刺激のパルス後のルミネセンス減衰時間は、情報の各ビットの取り出しに必要とされる時間および最大の達成可能なデータ転送速度を決定する。 Solid state electronic transitions caused by photoexcitation with relaxation times on the order of 10 −12 to 10 −9 are basically very fast and are considered to be among the most promising quantum systems for mass optical data storage. . The luminescence decay time after the pulse of laser stimulation determines the time required to retrieve each bit of information and the maximum achievable data transfer rate.

より安定なかつ確実なデータ記憶および光学処理を達成するために、深いトラップおよびルミネセンス中心を有する化学的、機械的、および熱的に安定なルミネセンス材料を使用すべきである。このような深い中心を生成するために、広いギャップ誘電体を用いる必要がある。さらに、これらの「熱的に」および「光学的に」深いトラップは、励起(「書き込み」)、刺激(「読み取り」)、および回復(「消去」)のために、より短波長のレーザー光を必要とする。光学記録のためには、最小の光スポット直径は、d=0.5λn/NAに等しく、ここで、NAは光ヘッドの開口数であり、nは媒体の屈折率であり、そしてλはレーザー光の波長である。したがって、青色およびUVレーザーは、より高い記憶密度を達成するためにIRレーザーに対して明らかに有利である。GaAlNのような広ギャップ半導体のヘテロ構造に基づく青色およびUV固体レーザーの最近の開発により、広いエネルギーギャップを有する材料の使用に現実の可能性が生じる。   In order to achieve more stable and reliable data storage and optical processing, chemically, mechanically and thermally stable luminescent materials with deep traps and luminescent centers should be used. In order to generate such a deep center, it is necessary to use a wide gap dielectric. In addition, these “thermally” and “optically” deep traps allow shorter wavelength laser light for excitation (“write”), stimulation (“read”), and recovery (“erase”). Need. For optical recording, the minimum light spot diameter is equal to d = 0.5λn / NA, where NA is the numerical aperture of the optical head, n is the refractive index of the medium, and λ is the laser It is the wavelength of light. Thus, blue and UV lasers are clearly advantageous over IR lasers to achieve higher storage densities. Recent developments in blue and UV solid state lasers based on heterostructures of wide gap semiconductors such as GaAlN create real possibilities for the use of materials with wide energy gaps.

電荷担体の蓄積に寄与するトラップの低エネルギー深さは、周囲温度での電子の熱刺激放出および記憶したデータのフェージングを導く。これは、特に、アナログルミネセンスシグナルの正確なディジタル化を必要とする多重レベルデータ記憶については受容可能ではない。さらに、化学的不安定性ならびに空気と接触した場合の酸化および湿度に対する感受性は、保護層の使用を必要とする。   The low energy depth of the trap that contributes to charge carrier accumulation leads to thermally stimulated emission of electrons at ambient temperature and fading of stored data. This is particularly unacceptable for multilevel data storage that requires accurate digitization of the analog luminescence signal. Furthermore, chemical instability and sensitivity to oxidation and humidity when in contact with air requires the use of a protective layer.

コランダムまたはサファイア(α−Al)は、多くの光学および電子応用において重要な技術的材料である。これは、固体レーザー用のホスト物質として、光学窓として、半導体エピタキシャル成長における基材物質として、およびより最近は放射線検出器として使用される。M.S. Akselrod, V.S. Kortov, D.J. Kravetsky, V.I. Gotlib, Highly Sensitive Thermoluminescent Anion-Defective α-Al2O3:C Single Crystal Detectors, Radiat. Prot. Dosim., 32巻(1), 15-20頁 (1990)を参照のこと。酸素空格子点を有する炭素でドープしたAlの優れた線量測定特性にもかかわらず、この材料におけるルミネセンス中心(F−中心)は、非常に長いルミネセンス寿命(35ms)を有する。しかし、α−Alは、高いデータ転送速度を必要とする蛍光1ビット記録適用には受容されない。公知のAl材料もまた、容積データ記憶適用に適切なフォトクロミック遷移を受け得る吸収帯を有さない。 Corundum or sapphire (α-Al 2 O 3 ) is an important technical material in many optical and electronic applications. It is used as a host material for solid state lasers, as an optical window, as a substrate material in semiconductor epitaxial growth, and more recently as a radiation detector. MS Akselrod, VS Kortov, DJ Kravetsky, VI Gotlib, Highly Sensitive Thermoluminescent Anion-Defective α-Al 2 O 3 : C Single Crystal Detectors, Radiat.Prot.Dosim., 32 (1), 15-20 (1990) checking ... Despite the excellent dosimetric properties of carbon-doped Al 2 O 3 with oxygen vacancies, the luminescence center (F-center) in this material has a very long luminescence lifetime (35 ms). However, α-Al 2 O 3 is unacceptable for fluorescent 1-bit recording applications that require high data transfer rates. Known Al 2 O 3 materials also do not have an absorption band that can undergo a photochromic transition suitable for volumetric data storage applications.

2002年12月4日に出願された米国特許出願第10/309,021号および2002年12月4日に出願された米国特許出願第10/309,179号(これらの全体の内容および開示は、本明細書に参考として援用される)に記載される新しいAl結晶質材料に関して、本発明に利用されるこの材料の重要な特徴は、記憶蛍光体の電子的および光学的特性およびその欠損構造である。Al:C,Mg結晶質材料は、光を吸収する色中心、電子の安定トラップ、および正孔を有し、そしてそのルミネセンス中心は、短いルミネセンス寿命を有する。 US patent application Ser. No. 10 / 309,021 filed on Dec. 4, 2002 and U.S. Patent Application No. 10 / 309,179 filed Dec. 4, 2002 (the entire contents and disclosure of which are herein incorporated by reference) The important characteristics of this material utilized in the present invention are the electronic and optical properties of the memory phosphor and its defect structure, with respect to the new Al 2 O 3 crystalline material described in US Pat. is there. The Al 2 O 3 : C, Mg crystalline material has a color center that absorbs light, a stable trap of electrons, and holes, and the luminescence center has a short luminescence lifetime.

結晶質蛍光材料が光学データ記録および回復ドライブにおいてどのように使用され得るかを示す簡略化した図を、図1に示す。図中の100において、405nm「書き込み」レーザービーム102および440nm「読み取り」レーザービーム104は、それぞれ2つのダイオードレーザー106および108によって生成される。レーザービーム102および104は、フリッピングミラー112、ダイクロイックミラー114、および高NA集束対物レンズ116によってAl:C,Mgから製造された単結晶質ディスク110に向けられる。ディスク110は、矢印118で示されるようにレーザーエンコーダを装着した空気スピンドルによって回転するか、または矢印119によって示す3Dピエゾおよびステッパ作動並進ステージによって移動する。対物レンズ116、ダイクロイックミラー114、集束レンズ120、共焦点ピンホール122、および光検出器124を組み合わせる光学ピックアップヘッドは、ディスク110の半径に沿ってスライドする。ディスクの3Dボリューム内の一定のデータ層であるビット126の焦点深さの選択および球面収差の修正は、光学ピックアップヘッドの追加の光学部品を移動することによって行われる(図示せず)。光検出器124を用いて、書き込みおよび読み込み中のレーザー誘導蛍光128をモニターする。緑色蛍光126は、対物レンズ116によって集められ、ダイクロイックミラー114により反射され、共焦点ピンホール122上のレンズ120によって焦点を合わせ、そしてコンピュータ132と接続された光子計数器またはディジタルオシロスコープ130によって検出される。 A simplified diagram showing how crystalline fluorescent material can be used in optical data recording and recovery drives is shown in FIG. At 100 in the figure, a 405 nm “write” laser beam 102 and a 440 nm “read” laser beam 104 are generated by two diode lasers 106 and 108, respectively. Laser beams 102 and 104 are directed to a single crystalline disk 110 made from Al 2 O 3 : C, Mg by a flipping mirror 112, a dichroic mirror 114, and a high NA focusing objective lens 116. The disk 110 is rotated by an air spindle fitted with a laser encoder as indicated by arrow 118 or moved by a 3D piezo and stepper actuated translation stage indicated by arrow 119. An optical pickup head that combines the objective lens 116, dichroic mirror 114, focusing lens 120, confocal pinhole 122, and photodetector 124 slides along the radius of the disk 110. Selection of the depth of focus of bit 126, which is a constant data layer in the 3D volume of the disc, and correction of spherical aberration is done by moving additional optical components of the optical pickup head (not shown). Photodetector 124 is used to monitor laser induced fluorescence 128 during writing and reading. Green fluorescence 126 is collected by objective lens 116, reflected by dichroic mirror 114, focused by lens 120 on confocal pinhole 122, and detected by a photon counter or digital oscilloscope 130 connected to computer 132. The

図1に示す図において、「書き込み」操作中の2光子吸収は、レーザービームの焦点スポットおよび書き込まれたビット(緑色蛍光126)の3D閉込めにおいて光イオン化プロセスの非常に強い局在化を可能にする。同じまたは異なる波長の「読み取り」レーザー光を用いる媒体から蛍光光の1光子励起および共焦点蛍光検出器機構は、多数回のビットの非破壊的読み取りを行うことを可能にする。   In the diagram shown in FIG. 1, the two-photon absorption during the “write” operation allows a very strong localization of the photoionization process in 3D confinement of the focal spot of the laser beam and the written bit (green fluorescence 126) To. A one-photon excitation of fluorescent light from a medium using “read” laser light of the same or different wavelength and a confocal fluorescence detector mechanism allow non-destructive reading of multiple bits.

本発明に記載の方法は、Al:C,Mgの独特の光学的特性によって可能になる。Alにおける最初の情報記憶プロセスは光イオン化であり、次いでそれに続くトラッピング中心による励起された電荷の捕獲である。したがって、情報の効率的な記憶のために、Al結晶が光を吸収する色中心と電子をトラップし得る欠損との両方を含むことが必要である。1ビット共焦点記録には、蛍光の高量子収量も必要とされる。本発明の好適な実施態様によれば、ビットの容積記録は、2PAを用いて行われるが、非破壊的読み取り操作は1PAおよび速いレーザー誘導蛍光を利用する。 The method described in the present invention is made possible by the unique optical properties of Al 2 O 3 : C, Mg. The first information storage process in Al 2 O 3 is photoionization, followed by trapping of excited charges by trapping centers. Therefore, for efficient storage of information, it is necessary that the Al 2 O 3 crystal includes both color centers that absorb light and defects that can trap electrons. High quantum yields of fluorescence are also required for 1-bit confocal recording. According to a preferred embodiment of the present invention, bit volume recording is performed using 2PA, while non-destructive reading operations utilize 1PA and fast laser-induced fluorescence.

2002年12月4日に出願された米国特許出願第10/309,021号および2002年12月4日に出願された米国特許出願第10/309,179号(これらの全体の内容および開示は、本明細書に参考として援用される)に記載の方法に従って生成されそして本発明において利用されるAl結晶質材料は、いくつかのタイプの酸素空格子点欠損を含み、そして炭素およびマグネシウム不純物でドープされ、そして任意の従来の結晶成長方法を用いて(例えば、チョクラルスキー法)当業者によって成長され得る。本発明で利用される結晶質材料は、いくつかの光学吸収(OA)帯によって特徴づけられる:205、230、255、335、435、520、および620nm(図2および3)。435nmの青色吸収帯は、結晶の可視緑色の着色のためである。新しい酸化アルミニウム材料の1つの重要な特徴は、近くのMg不純物原子により電荷補償された中性のF−中心ならびにFおよびF 2+中心の形態における高濃度の単一および二重の酸素空格子点である。 US patent application Ser. No. 10 / 309,021 filed on Dec. 4, 2002 and U.S. Patent Application No. 10 / 309,179 filed Dec. 4, 2002 (the entire contents and disclosure of which are herein incorporated by reference) the Al 2 O 3 crystalline material utilized in generated and the invention according to the method described in to) incorporated by reference, including several types of oxygen vacancy defect, and doped with carbon and magnesium impurities And can be grown by one skilled in the art using any conventional crystal growth method (eg, Czochralski method). The crystalline material utilized in the present invention is characterized by several optical absorption (OA) bands: 205, 230, 255, 335, 435, 520, and 620 nm (FIGS. 2 and 3). The blue absorption band at 435 nm is due to the visible green coloration of the crystal. One important feature of the new aluminum oxide material is the high concentration of single and double oxygen vacancies in the form of neutral F- centers and F + and F 2 2+ centers that are charge compensated by nearby Mg impurity atoms. It is a child point.

−中心は、1つのMg2+イオンによって電荷補償された1電子を有する酸素空格子点であり、F(Mg)−中心と示す。この中心は、230および255nmの少なくとも2つの吸収帯によって特徴づけられ(図2)、そして5nsよりも短い寿命の330nmのルミネセンス帯を有する。これらの欠損のうちの2つのクラスターは、2つのF−中心および2つのMg不純物原子から構成される集合空格子点欠損を形成する。この集合は、2つの局在化した電子が欠損し、F 2+(2Mg)と示され、そして光学データ記憶に好適である。これは435nmの青色吸収−励起帯に寄与し(図4)、520nmの緑色蛍光帯を生成し、そして9±3nsに等しい短い寿命を有する(図5)。 The F + -center is an oxygen vacancy having one electron that is charge-compensated by one Mg 2+ ion, and is denoted as F + (Mg) -center. This center is characterized by at least two absorption bands at 230 and 255 nm (FIG. 2) and has a 330 nm luminescence band with a lifetime shorter than 5 ns. Two of these defects form an aggregate vacancy defect composed of two F + -centers and two Mg impurity atoms. This set lacks two localized electrons, is denoted F 2 2+ (2Mg), and is suitable for optical data storage. This contributes to the 435 nm blue absorption-excitation band (FIG. 4), produces a 520 nm green fluorescence band, and has a short lifetime equal to 9 ± 3 ns (FIG. 5).

酸素空格子点欠損を有するAl:C,Mg結晶の適切な波長の高強度レーザー光への曝露により、1つの荷電状態から他の状態への同じ構造欠損の変換を生じる。例えば、F 2+(2Mg)−中心は、430nm照射でF (2Mg)−中心に変換され(図3および6)、そして335nmまたは620nmパルスレーザー光で変換されて戻り得る。「書き込み」操作として定義される青色レーザー光によって誘導されるフォトクロミック遷移後、Al:C,Mg結晶は、260、335nmおよび620nmで吸収/励起帯(図3および7)、80±10nsに等しい比較的速い崩壊時間の750nmで広い蛍光発光帯(図7)を示す。 Exposure of Al 2 O 3 : C, Mg crystals with oxygen vacancy defects to high intensity laser light of the appropriate wavelength results in the conversion of the same structural defect from one charged state to another. For example, a F 2 2+ (2Mg) − center can be converted to a F 2 + (2Mg) − center with 430 nm irradiation (FIGS. 3 and 6) and converted back with 335 nm or 620 nm pulsed laser light. After a photochromic transition induced by blue laser light, defined as a “write” operation, the Al 2 O 3 : C, Mg crystal has absorption / excitation bands at 260, 335 nm and 620 nm (FIGS. 3 and 7), 80 ± 10 ns. Shows a broad fluorescence emission band (FIG. 7) at 750 nm with a relatively fast decay time equal to.

本発明の好適な実施態様では、2光子吸収(2PA)プロセスは、Al:C,Mgのボリュームにおいて情報を記録するために利用される。通常、2PAは、2光子のルミネセンス中心による同時吸収のプロセスとみなされる。これらの2光子のエネルギーの合計は、好適には、ルミネセンス中心の励起を行うに十分であるが、1光子のみのエネルギーは、励起遷移に十分ではない。この場合、2PAは、欠損の仮(非存在)の量子エネルギー状態によって行われ、そしてその確率は非常に低い。2PAを行うために、2PAを行うために、100MW/cmの程度の出力密度を有するフェムトまたはピコ秒レーザーパルスが必要である。いわゆる「連続」2PAを可能にするAl:C,Mgの非常に重要な特徴は、レーザー光を吸収しそして蛍光を生じる欠損が、エネルギーギャップにおける励起状態の深さを有することである。この励起状態の寿命は、光イオン化およびデータ記録に必要とされる第2の光子吸収の確率を著しく上昇させるために十分に長い。同時に、この色中心のための励起状態の寿命は、高いデータ転送速度で蛍光シグナルの速い読み取りを可能にするために十分に短い。 In a preferred embodiment of the present invention, a two-photon absorption (2PA) process is utilized to record information in an Al 2 O 3 : C, Mg volume. Usually, 2PA is regarded as a process of simultaneous absorption by a two-photon luminescence center. The sum of these two-photon energies is preferably sufficient to excite the luminescent center, but the energy of only one photon is not sufficient for the excitation transition. In this case, 2PA is performed by a missing (non-existent) quantum energy state, and its probability is very low. In order to perform 2PA, a femto or picosecond laser pulse with a power density on the order of 100 MW / cm 2 is required to perform 2PA. A very important feature of Al 2 O 3 : C, Mg that enables the so-called “continuous” 2PA is that the defect that absorbs the laser light and produces fluorescence has a depth of excited states in the energy gap. . The lifetime of this excited state is long enough to significantly increase the probability of second photon absorption required for photoionization and data recording. At the same time, the lifetime of the excited state for this color center is short enough to allow fast reading of the fluorescent signal at high data transfer rates.

集合酸素空格子点欠損における好ましい2光子吸収の証拠は、レーザー光強度に対するこれらの中心の光イオン化断面積の二次従属性によって提供される(図9を参照のこと)。2PAプロセスについての光イオン化断面積は、減衰定数に逆比例し、そして基底状態および励起状態の吸収断面積の産物に直接比例する。F 2+(2Mg)−中心の光イオン化断面積の波長依存性は、1PA帯と比較してより短波長にシフトし(図4および10)、そしてAl:C,Mg結晶における2PAプロセスのもう1つの指標である。 Evidence of favorable two-photon absorption in aggregate oxygen vacancies is provided by the secondary dependence of these central photoionization cross sections on laser light intensity (see FIG. 9). The photoionization cross section for the 2PA process is inversely proportional to the decay constant and directly proportional to the product of the ground state and excited state absorption cross sections. The wavelength dependence of the F 2 2+ (2Mg) − center photoionization cross section shifts to shorter wavelengths compared to the 1PA band (FIGS. 4 and 10) and 2PA in Al 2 O 3 : C, Mg crystals. Another indicator of the process.

本発明の記憶媒体の書き込んだデータの消去ならびに元の光学吸収(着色)および蛍光の回復は、光学的または熱的に達成され得る。Al:C,Mg結晶質材料は、電荷の深いトラップを含む。電荷のこれらの深いトラップは、約600℃から700℃の脱色温度を有し、そして約1013から1017cm−3の濃度を有する。これらの深いトラップの脱色温度を、光学データ記憶システムにおける「書き込み」操作と等価である430nmのパルスレーザー光で照射した後のAl:C,Mg結晶のアニーリング工程での光吸収実験から見出した(図11A、11B、11C、および11Dを参照のこと)。255nmでのF−中心の光吸収帯および435nmでのF 2+(2Mg)−中心の光吸収帯は、その強度を増加させ、そして600から700℃の温度範囲で元の強度を回復する。両方ともF (2Mg)−中心に帰属される335nmおよび620nm帯については、同じ温度範囲で反対の傾向が見られ得、これは、これらの中心が、アニーリング中にF 2+(2Mg)−中心に変換されることを示す。F (2Mg)−中心の335nmおよび620nm吸収帯は両方とも、パルス青色レーザー光での「書き込み」操作後のみ出現し、そして図2および3に示す新鮮なAl:C,Mg結晶の吸収スペクトルでは可視ではない。 Erasing the written data and restoring the original optical absorption (coloring) and fluorescence of the storage medium of the present invention can be accomplished optically or thermally. The Al 2 O 3 : C, Mg crystalline material includes deep charge traps. These deep traps of charge have a decolorization temperature of about 600 ° C. to 700 ° C. and a concentration of about 10 13 to 10 17 cm −3 . From the light absorption experiment in the annealing process of Al 2 O 3 : C, Mg crystals after irradiating the decolorization temperature of these deep traps with a 430 nm pulse laser beam equivalent to the “write” operation in the optical data storage system (See FIGS. 11A, 11B, 11C, and 11D). The F + -centered light absorption band at 255 nm and the F 2 2+ (2Mg) -centered light absorption band at 435 nm increase its intensity and restore the original intensity in the temperature range of 600 to 700 ° C. . For the 335 nm and 620 nm bands, both attributed to the F 2 + (2Mg) -center, the opposite trend can be seen in the same temperature range, as these centers are F 2 2+ (2Mg) during annealing. -Indicates conversion to the center. F 2 + (2Mg) - both 335nm and 620nm absorption bands of the center, appeared only after "write" operation on the pulsed blue laser light, and fresh Al 2 and 3 2 O 3: C, Mg It is not visible in the absorption spectrum of the crystal.

本発明の利用したAl:C,Mg材料における「書き込み」および「読み取り」操作中の好適な電子プロセスを、図12のような帯の図を用いて説明する。データ記憶媒体としての使用のための本発明の好適なドープしたAl材料は、正確な所望の特徴を有する高濃度のトラッピング部位および蛍光中心を含むように形成され得る。データ記憶媒体は、一般的に、「0」および「1」状態に対応して割り当てられる少なくとも2つの安定な物理的状態で存在する。受領または消去されたAl媒体の最初の配置(論理的0状態)は、435±5nmの領域における強い吸収帯によって特徴づけられる高濃度のF 2+(2Mg)−中心を有する。 A preferred electronic process during “write” and “read” operations in the Al 2 O 3 : C, Mg material utilized in the present invention will be described with reference to a band diagram such as FIG. The preferred doped Al 2 O 3 material of the present invention for use as a data storage medium can be formed to include a high concentration of trapping sites and fluorescent centers with the exact desired characteristics. Data storage media generally exist in at least two stable physical states assigned corresponding to “0” and “1” states. The initial configuration (logical 0 state) of Al 2 O 3 media received or erased has a high concentration of F 2 2+ (2Mg) − centers characterized by a strong absorption band in the region of 435 ± 5 nm.

上記の結晶欠損をイオン化するために十分に高い適切な光子エネルギーhν(または波長λ)および強度の書き込みレーザー光(「書き込み」ビーム)の照射によって、予め存在する電子欠損にトラップされるべき遊離の電子を生成し得る。Al:C,Mgにおけるトラップは、熱放出することなく周囲温度で長時間にわたり電荷担体を保つために十分に深い。量子系のこの第2の状態は、ここでは、準安定「荷電」配置(論理的「1」状態)である。媒体の状態を「読み取る」ために、書き込み光または他の光子エネルギーhν(または波長λ)と同じ刺激光が適用され、そしてエネルギーhν(または波長λ)の蛍光光子が検出される。蛍光1ビット記録の場合、書き込まれたビットは蛍光強度の減少を生じるが、書き込まれていないスポットは元の強い蛍光を生じる。 Appropriate photon energy hν 1 (or wavelength λ 1 ) high enough to ionize the above crystal defects should be trapped in pre-existing electron defects by irradiation of intense writing laser light (“writing” beam) Free electrons can be generated. The traps in Al 2 O 3 : C, Mg are deep enough to keep the charge carriers for a long time at ambient temperature without releasing heat. This second state of the quantum system is here a metastable “charged” configuration (logical “1” state). To “read” the state of the medium, the same stimulus light as the writing light or other photon energy hν 2 (or wavelength λ 2 ) is applied, and a fluorescent photon of energy hν 3 (or wavelength λ 3 ) is detected. . For fluorescent 1-bit recording, written bits cause a decrease in fluorescence intensity, but unwritten spots produce the original intense fluorescence.

Alのような広いギャップの誘電体における電子欠損は、その基底および励起した状態のエネルギーレベルによって特徴づけられる。電子欠損の励起状態が伝導帯の近くまたは伝導帯内に位置する場合、欠損は、1光子吸収によってイオン化され得る。励起状態が結晶のエネルギーギャップ内の深くに位置する場合、異なる状況が起こる。電子欠損の基底状態と励起状態との間のエネルギー遷移に対応する1光子の吸収により、局在化遷移、次いで非放射および放射減衰(蛍光)が生じる。この1光子吸収のプロセスは非破壊的であり、そして情報を読み取るために使用され得る。 Electron vacancies in wide gap dielectrics such as Al 2 O 3 are characterized by their ground and excited state energy levels. If the excited state of the electron defect is located near or within the conduction band, the defect can be ionized by one-photon absorption. A different situation occurs when the excited state is located deep within the energy gap of the crystal. Absorption of one photon corresponding to the energy transition between the ground state and the excited state of the electron deficiency results in localized transitions, followed by non-radiation and radiation decay (fluorescence). This one-photon absorption process is non-destructive and can be used to read information.

このような深い欠損から電子を除去するために、および結晶中の特定の欠損のルミネセンス特性を変化させるために、本発明では2光子の同時吸収が用いられる。第1の吸収された光子は、上記の電子欠損の電子を励起状態に励起するが、第2の光子は、エネルギーギャップ内の上記の励起状態から伝導帯に電子を転送する。伝導帯における電子は、ここでは非局在化され(その元の欠損部位から除去され)、そして他の欠損によってトラップされ得る。   In order to remove electrons from such deep defects and to change the luminescence properties of specific defects in the crystal, the present invention uses simultaneous absorption of two photons. The first absorbed photon excites the electron deficient electrons to an excited state, while the second photon transfers electrons from the excited state in the energy gap to the conduction band. Electrons in the conduction band are now delocalized (removed from their original defect site) and can be trapped by other defects.

データの書き込みは、上記のF 2+(2Mg)−中心による435±40nm青色レーザー光の2光子吸収を用いて行われ得る(図12を参照のこと)。第1の光子は中心に局在する2つの電子のうちの1つを励起状態に励起するが、第2の光子は励起状態と伝導帯との間の第2の遷移を行い、そのため、中心の光イオン化が行われる。書き込みプロセスの最後の段階は、他の欠損による、すなわち他のF 2+(2Mg)−中心による、またはF(Mg)−中心による、または炭素不純物による、上記の光電子の局在化(またはトラッピング)である。これらのフォトクロミック変換の結果は、(a)3つの局在化電子を有しそして260、335、および620nmの吸収帯によって特徴づけられる、他の荷電状態の集合欠損、F (2Mg)−中心、の生成、または(b)205nmのUV吸収帯を有する中性のF−中心の生成、または190℃のTLピークに寄与する炭素関連トラップである。3つのすべてのプロセスにより、光学的に深くそして熱安定な電子状態の形成を生じ、そして長期データ記憶のために本発明の好適な実施態様で使用され得る。第1のプロセス(a)は、光吸収帯の光子変換の効率から決定されたより高い確率を有する。光イオン化の結果として、F 2+(Mg)−中心は、F 3+(Mg)に変換し、そして放出された電子は、3つの局在化電子を有しそして260、335nm、および620nmの吸収/励起帯および750nmの発光帯によって特徴づけられるF (Mg)−中心に変換する他のF 2+(Mg)−中心によってトラップされる。335nmおよび620nmに中心のある両方の帯は、これらの帯のいずれかへの励起が、正確に同じ80±5ns寿命を有する同じ750nm蛍光発光を生じるので、同じ色中心に属する。 Data writing can be performed using two-photon absorption of 435 ± 40 nm blue laser light by the F 2 2+ (2Mg) − center (see FIG. 12). The first photon excites one of the two electrons localized at the center into an excited state, while the second photon makes a second transition between the excited state and the conduction band, and thus the center Is photoionized. The last stage of the writing process is the localization of the above photoelectrons by other defects, ie by other F 2 2+ (2Mg) -centers, or by F + (Mg) -centers, or by carbon impurities (or Trapping). The results of these photochromic transformations are: (a) another charge state collective defect, F 2 + (2Mg) −, which has three localized electrons and is characterized by the 260, 335, and 620 nm absorption bands. Carbon-related traps that contribute to the formation of the center, or (b) the generation of a neutral F-center with a UV absorption band of 205 nm, or the TL peak at 190 ° C. All three processes result in the formation of optically deep and thermally stable electronic states and can be used in preferred embodiments of the present invention for long-term data storage. The first process (a) has a higher probability determined from the efficiency of photon conversion in the light absorption band. As a result of photoionization, the F 2 2+ (Mg) − center converts to F 2 3+ (Mg) and the emitted electrons have three localized electrons and are 260, 335 nm, and 620 nm. It is trapped by other F 2 2+ (Mg) − centers that convert to F 2 + (Mg) − centers characterized by an absorption / excitation band and an emission band at 750 nm. Both bands centered at 335 nm and 620 nm belong to the same color center because excitation to either of these bands results in the same 750 nm fluorescence emission with exactly the same 80 ± 5 ns lifetime.

本発明は、データを読み取るための2つのタイプの蛍光プロセスを提供する(図12を参照のこと)。タイプ1すなわち「負の」プロセスは、435±40nmの青色レーザー光励起を用いるF 2+(2Mg)−中心の元の緑色蛍光の刺激を含む。この励起の強度は、好ましくは、2光子吸収を避けるために著しく低下するが、情報の確実な検出に十分な緑色蛍光を生じるには十分である。書き込み中に2光子イオン化を受けた少量のAl結晶(ボクセル)は蛍光の減少を示すかまたは蛍光を示さないが、未書き込みのボクセルは、高い強度の緑色蛍光を示す。 The present invention provides two types of fluorescence processes for reading data (see FIG. 12). Type 1 or “negative” process involves stimulation of the original green fluorescence of the F 2 2+ (2Mg) -center using blue laser light excitation at 435 ± 40 nm. The intensity of this excitation is preferably significantly reduced to avoid two-photon absorption, but is sufficient to produce sufficient green fluorescence for reliable detection of information. A small amount of Al 2 O 3 crystals (voxels) that have undergone two-photon ionization during writing show a decrease in fluorescence or no fluorescence, whereas unwritten voxels show high intensity green fluorescence.

本発明のタイプ2の読み出しプロセス、いわゆる「正の」読み出しプロセスは、記録中に生じたF (2Mg)−中心の750nm蛍光を刺激するために335±30nmまたは620±50nmのレーザー励起を用いることを含む。赤色半導体レーザーダイオードが容易に利用可能でありそして赤色レーザーが情報の非破壊的読み出しを可能にするので、好適な読み出し態様の1つは、620nm吸収帯を利用する。この読み出し励起の強度は、好ましくは、2光子吸収を避けるために著しく低下する。80nsの寿命を有する750nmの領域でのF (2Mg)−中心の蛍光の強度は、バイナリーまたは多重レベルデータ記憶のための読み出しプロセス中のデータの尺度として用いられる。 The type 2 readout process of the present invention, the so-called “positive” readout process, uses a laser excitation of 335 ± 30 nm or 620 ± 50 nm to stimulate the 750 nm fluorescence of the F 2 + (2Mg) − center produced during recording. Including use. One suitable readout mode utilizes the 620 nm absorption band because red semiconductor laser diodes are readily available and red lasers allow non-destructive readout of information. The intensity of this readout excitation is preferably significantly reduced to avoid two-photon absorption. The intensity of F 2 + (2Mg) -center fluorescence in the 750 nm region with a lifetime of 80 ns is used as a measure of data during the readout process for binary or multilevel data storage.

2PAを用いる本発明の酸化アルミニウム媒体でのデータの書き込みおよび同じ媒体からのデータの読み取りは、レーザー誘導蛍光(LIF)によって行われ得、そして好ましくは、電子運動および電子遷移によって達成される。相変換または他の構造変化は、「書き込み」または「読み取り」操作中には起こらない。これは、データ記録および回復を非常に速くかつ再生可能にする。   Writing data to and reading data from the aluminum oxide media of the present invention using 2PA can be done by laser induced fluorescence (LIF) and is preferably accomplished by electron motion and electron transition. Phase transformations or other structural changes do not occur during “write” or “read” operations. This makes data recording and recovery very fast and reproducible.

本発明の好適な実施態様に従ってデータを書き込むプロセスを、ここで説明する。まず、Mgでドープされたアニオン欠損Al単結晶の形態のデータ記憶媒体を、媒体および/または光学ヘッドの可動部品の機械的動作によって媒体の所定の深さに焦点を合わせた回折限界レーザー「書き込み」ビームに対して所望の位置に移動させる。焦点を合わせたビームの球面収差の修正も、光学成分の機械的動作によってまたは例えば液晶移相器に基づく電子光学成分によってこの段階で行われる。 The process of writing data according to the preferred embodiment of the present invention will now be described. First, a data storage medium in the form of an Mg-doped anion-deficient Al 2 O 3 single crystal is focused on a predetermined depth of the medium by the mechanical movement of the medium and / or the moving parts of the optical head. Move to the desired position with respect to the laser “writing” beam. Correction of the spherical aberration of the focused beam is also performed at this stage by mechanical movement of the optical component or by an electro-optical component, for example based on a liquid crystal phase shifter.

次いで、データ記憶媒体に、書き込み時間tに等しい時間にわたり波長λを有する書き込みレーザー光の上記の焦点を合わせたビームを照射する。上記の「書き込み」波長λは、370〜490nmの範囲であり、より好ましい波長は390nmである。本発明に記載の連続的2光子吸収プロセスは、1kW/cmより高いレーザー強度で行われ得る。「書き込み」時間は、0.1ps〜1msの範囲であり、より好ましい時間は10nsである。書き込み操作の結果は、F 2+(2Mg)−中心のF 3+(2Mg)−中心へのイオン化および光変換である。これは、第1の励起続いてイオン化を含む2段階プロセスである: The data storage medium is then irradiated with the focused beam of writing laser light having the wavelength λ 1 for a time equal to the writing time t 1 . The “write” wavelength λ 1 is in the range of 370 to 490 nm, with a more preferred wavelength being 390 nm. The continuous two-photon absorption process described in the present invention can be performed with a laser intensity higher than 1 kW / cm 2 . The “write” time ranges from 0.1 ps to 1 ms, and a more preferred time is 10 ns. The result of the write operation is ionization and photoconversion of F 2 2+ (2Mg) − center to F 2 3+ (2Mg) − center. This is a two-step process involving a first excitation followed by ionization:

2+(2Mg) + hν = F 2+(2Mg)
2+(2Mg) + hν = F 3+(2Mg) + e
F 2 2+ (2Mg) + hν 1 = F 2 2+ (2Mg) *
F 2 2+ (2Mg) * + hν 1 = F 2 3+ (2Mg) + e

光イオン化プロセスの結果としてF 2+(2Mg)−中心から放出された電子は、深いトラップおよび他の近くのF 2+(2Mg)−およびF−中心によって捕獲される。 Electrons emitted from the F 2 2+ (2Mg) − center as a result of the photoionization process are trapped by deep traps and other nearby F 2 2+ (2Mg) − and F + − centers.

2+(2Mg) + e = F (2Mg) F 2 2+ (2Mg) + e = F 2 + (2Mg)

(Mg) + e = F(Mg) F + (Mg) + e = F (Mg)

上記の深いトラッピング部位は、情報をほとんど無限に記憶できる。   The deep trapping site described above can store information indefinitely.

本発明は、共焦点レーザー誘導蛍光検出機構を用いてデータを読み取る3つの好適な態様を提供する。第1の態様は、「書き込み」に使用した波長λの同じレーザービームでデータを読み取るが、著しく低下した強度および照射時間で2光子吸収および記憶したデータの削除を避ける。操作の第2の態様では、読み取りレーザービームは、λより長い波長λを有するが、これは未だF 2+(2Mg)−中心の吸収帯内である。例えば、波長λは460nmであるように選択される。より長い波長は、2PAの可能性をさらに減少し、そして蛍光の励起のためのより高いレーザー光強度を可能にし、そしてより良好な信号対雑音比(SNR)を提供する。「読み取り」操作のこれらの2つの態様は、520nmの領域でF 2+(2Mg)−中心の蛍光発光帯を利用する(図4)。この蛍光の寿命は9±2nsであり(図5)、そして100Mビット/秒のデータ転送速度を達成するために十分に速い。0バイナリー状態に対応する強い蛍光シグナルは、「書き込み」操作が特定のビットで行われなかったことを示す。読み取りのこれらの2つの第1の態様は、「負の」タイプの操作と称し得る。 The present invention provides three preferred embodiments for reading data using a confocal laser induced fluorescence detection mechanism. The first aspect reads data with the same laser beam of wavelength λ 1 used for “writing”, but avoids two-photon absorption and deletion of stored data with significantly reduced intensity and illumination time. In the second mode of operation, the read laser beam has a wavelength λ 2 longer than λ 1 , which is still in the F 2 2+ (2Mg) − center absorption band. For example, the wavelength λ 2 is selected to be 460 nm. Longer wavelengths further reduce the possibility of 2PA and allow higher laser light intensity for fluorescence excitation and provide a better signal-to-noise ratio (SNR). These two aspects of the “read” operation make use of the F 2 2+ (2Mg) -centered fluorescence band in the region of 520 nm (FIG. 4). The lifetime of this fluorescence is 9 ± 2 ns (FIG. 5) and is fast enough to achieve a data transfer rate of 100 Mbit / s. A strong fluorescent signal corresponding to a zero binary state indicates that a “write” operation was not performed on a particular bit. These two first aspects of reading may be referred to as “negative” type operations.

「正の」タイプという読み取り操作の第3のおよび特に好適な態様は、書き込み操作中のF 2+(2Mg)−中心による電子のトラッピングの結果として生じたF (2Mg)−中心(集合欠損を占領する3つの電子)の蛍光を利用する: Third and particularly preferred embodiment of the reading operation of "positive" type, F 2 2+ in write operation (2Mg) - F resulting from the electron trapping by the center 2 + (2Mg) - center (collectively Use fluorescence of the three electrons that occupy the defect:

2+(2Mg) + e = F (2Mg) F 2 2+ (2Mg) + e = F 2 + (2Mg)

(2Mg)−中心は、260、335、および620nmに中心がある3つの吸収/励起帯の1つの吸収帯で励起され得る。これらの中心の発光は、赤外領域であり、そして750nmの領域である(励起および発光スペクトルの詳細については図7を参照のこと)。750nm発光の寿命は80±10nsであり(図8を参照のこと)、そして10Mb/秒までのデータ転送速度に対しては十分に短い。 The F 2 + (2Mg) − center can be excited in one absorption band of three absorption / excitation bands centered at 260, 335, and 620 nm. The emission of these centers is in the infrared region and in the region of 750 nm (see FIG. 7 for details of excitation and emission spectra). The lifetime of 750 nm emission is 80 ± 10 ns (see FIG. 8) and is short enough for data transfer rates up to 10 Mb / sec.

本発明の特に好ましい読み取り操作を、ここで説明する。まず、上記のデータ記憶媒体を、焦点を合わせた「読み取り」レーザービームに対して所望の位置に移動させる。上記の読み取りレーザービームは、λ波長を有し、これは600〜680nmの範囲であり、より好ましい波長は、容易に利用可能な赤色レーザーダイオードに対応する635nmである。次いで、上記のデータ記憶媒体に、「読み取り」時間tに等しい時間にわたり「読み取り」光の上記の焦点を合わせたビームを照射する。上記の「読み取り」時間tは、0.1ns〜1msの範囲であり、より好ましい時間は20〜1500nsの範囲であり、さらにより好ましい時間は100nsである。次いで、Alデータ記憶媒体により生じたレーザー誘導蛍光を、光検出器を用いて測定する。上記のLIFは、750nmの領域での第3の波長λでの「データ」光であり、そして620nm〜880nmの範囲にある。上記の蛍光シグナルは、次いで、処理されて記憶されたデータの値を得る。 A particularly preferred read operation of the present invention will now be described. First, the data storage medium is moved to a desired position relative to the focused “read” laser beam. The reading laser beam has a λ 2 wavelength, which is in the range of 600-680 nm, with a more preferred wavelength being 635 nm, corresponding to a readily available red laser diode. The data storage medium is then irradiated with the focused beam of “read” light for a time equal to the “read” time t 2 . The “read” time t 2 is in the range of 0.1 ns to 1 ms, more preferred time is in the range of 20 to 1500 ns, and even more preferred time is 100 ns. The laser induced fluorescence produced by the Al 2 O 3 data storage medium is then measured using a photodetector. The LIF is “data” light at the third wavelength λ 3 in the region of 750 nm and is in the range of 620 nm to 880 nm. The fluorescent signal is then processed to obtain stored data values.

435nm吸収帯および520nm蛍光の逆フォトクロミック遷移および回復による記録されたビットの光学消去は、FおよびF (2Mg)−中心の吸収帯に対応する205±30および335±30nmレーザー光でのAl:C,Mg結晶の連続的照射を用いて、本発明の他の好適な実施態様に従って達成され得る。F−吸収帯に対応する205±30nmの光での照射は、F−中心の光イオン化を行い、そして自由電子を生成する。これらの自由電子は、記録中にイオン化された欠損によって捕獲され得る。特に、これらの電子は、F 2+(2Mg)およびF 3+(2Mg)−中心によって捕獲される。本発明の好適な実施態様の1つの目的は、できるだけ多くの二重酸素空格子点欠損をF (2Mg)荷電状態に変換することである。これらの欠損は、335nmおよび620nmの領域における強い吸収帯によって特徴付けられる。F中心のイオン化は、例えば、キセノンランプの重水素によって生成されるコヒーレントレーザー光または非コヒーレント光のいずれかによって行われ得る。335±30nmを有する高出力密度レーザー光でのその後の結晶の照射は、F (2Mg)中心において2PAを行い、それらをF 2+(2Mg)−中心に変換する。記載した光学手順は、これらの欠損に特徴的な435nm吸収帯および520nm蛍光を回復し、そしてAl:C,Mg結晶の元の緑色を回復する。 Optical erasure of recorded bits by reverse photochromic transition and recovery of 435 nm absorption band and 520 nm fluorescence was observed for Al with 205 ± 30 and 335 ± 30 nm laser light corresponding to F and F 2 + (2Mg) -centered absorption bands. It can be achieved according to other preferred embodiments of the present invention using continuous irradiation of 2 O 3 : C, Mg crystals. Irradiation with 205 ± 30 nm light corresponding to the F-absorption band causes F-center photoionization and generates free electrons. These free electrons can be trapped by defects that are ionized during recording. In particular, these electrons are captured by F 2 2+ (2Mg) and F 2 3+ (2Mg) − centers. One object of a preferred embodiment of the present invention is to convert as many double oxygen vacancies as possible into F 2 + (2Mg) charge states. These defects are characterized by strong absorption bands in the 335 nm and 620 nm regions. F-center ionization can be performed, for example, by either coherent laser light or non-coherent light generated by deuterium in a xenon lamp. Subsequent irradiation of the crystal at the high power density laser beam having a 335 ± 30 nm performs 2PA in F 2 + (2Mg) centers, they F 2 2+ (2Mg) - into a center. The described optical procedure restores the 435 nm absorption band and 520 nm fluorescence characteristic of these defects and restores the original green color of the Al 2 O 3 : C, Mg crystal.

本発明のAl:C,Mg結晶における情報消去の他の好適な態様は、620nm吸収帯内の波長を有する赤色レーザーでの高ピーク出力密度照射を利用する。633nmのCWレーザーでの記録されたビットの連続的照射が読み出し750nm蛍光シグナルの強度を減少させることが証明された(図13)。335nmおよび620nm吸収帯の435nm帯への逆フォトクロミック遷移も、620nmパルスレーザー照射下で観察され(図14)、そしてAl:C,Mg結晶の元の緑色着色が部分的に回復された。 Another preferred embodiment of erasing information in the Al 2 O 3 : C, Mg crystal of the present invention utilizes high peak power density irradiation with a red laser having a wavelength in the 620 nm absorption band. It was demonstrated that continuous illumination of recorded bits with a 633 nm CW laser reduced the intensity of the readout 750 nm fluorescence signal (FIG. 13). A reverse photochromic transition of the 335 nm and 620 nm absorption bands to the 435 nm band was also observed under 620 nm pulsed laser irradiation (FIG. 14), and the original green coloration of the Al 2 O 3 : C, Mg crystal was partially restored. .

本発明の他の好適な実施態様では、記録されたビットからの蛍光読み出しシグナルの調節は、図15および16に示すように、記録段階中に媒体に送達されるエネルギーの量(すなわち、「書き込み」レーザーパルスの数)に比例する。読み出しシグナルは、バイナリーまたは多重レベルタイプのデータにディジタル化され得、したがってデータ記憶密度をさらに増加させるために使用され得る。   In another preferred embodiment of the present invention, the adjustment of the fluorescence readout signal from the recorded bit is the amount of energy delivered to the medium during the recording phase (ie, “writing” as shown in FIGS. 15 and 16). Proportional to the number of laser pulses). The read signal can be digitized into binary or multi-level type data and thus can be used to further increase data storage density.

本発明はまた、「書き込み」または「読み取り」速度およびデータ記憶密度のさらなる上昇のための記憶媒体における多数のマークの並行処理を可能にする。並行処理は、光学データ記録の主な利点の1つである。レーザーおよび光検出器の一次元または二次元アレイを使用し得る(CCDチップまたはCMOS検出器)。   The present invention also allows the parallel processing of multiple marks in the storage medium for further increases in “write” or “read” speed and data storage density. Parallel processing is one of the main advantages of optical data recording. One-dimensional or two-dimensional arrays of lasers and photodetectors can be used (CCD chip or CMOS detector).

本発明の記憶媒体はまた、媒体および記憶したデータの熱、時間、および環境安定性を提供する。蛍光および光屈折データ記憶媒体の共通の問題は熱不安定性であり、そして記憶した情報の熱消去を生じる。炭素およびマグネシウムでドープしたAlは、結晶構造中に酸素空光子点欠損によって形成された局在化状態上にトラップされた電子として記憶される情報の非常に良好な熱および時間安定性を示す。トラップにおける電荷担体の寿命は、記憶温度に依存する。温度が高いほど、寿命は短くなる。トラップが深いほど、記憶時間は長くなる。トラップした電子のほとんどは、非常に高い熱および光学深さを有する650℃のトラップに関連する。Al結晶は、機械的、化学的、および光学的に非常に安定であり、そして数年にわたり性能の劣化を示さない。記録したデータが従来の室内灯照射によって消去されずそして媒体が光保護を必要としないことも示された。 The storage media of the present invention also provides thermal, time and environmental stability of the media and stored data. A common problem with fluorescent and photorefractive data storage media is thermal instability and results in thermal erasure of stored information. Al 2 O 3 doped with carbon and magnesium has very good thermal and temporal stability of information stored as electrons trapped on localized states formed by oxygen vacancy point defects in the crystal structure Indicates. The lifetime of charge carriers in the trap depends on the storage temperature. The higher the temperature, the shorter the lifetime. The deeper the trap, the longer the storage time. Most of the trapped electrons are associated with a 650 ° C. trap with very high heat and optical depth. Al 2 O 3 crystals are very stable mechanically, chemically and optically and show no performance degradation over several years. It has also been shown that the recorded data is not erased by conventional room lamp illumination and the media does not require light protection.

結晶成長中にこれらの結晶において生成したAl:C,Mg結晶および色中心は、光学特性の高い異方性を示す。例えば、結晶の光学c軸に平行な方向に偏光したレーザー光についての色中心の光学吸収は、光学c軸に垂直に偏光した同じ光のOAよりも約2〜4倍高い。これは、書き込み、読み取り、および消去操作のために本発明で利用される335nm、435nm、520nm、および620nm吸収帯を含むがこれらに限定されないいくつかの光学吸収帯について真実である。435nmのOA帯についての角度依存性(光学c軸に対する偏光ベクトルの角度の関数としてのOA係数)の例を図23に示す。実際の問題は、回転しているディスクの形態で結晶を使用し始める場合に発生する。媒体の並進については問題であるべきではないが、単結晶ディスクの回転が使用される場合、OAの強い異方性が、書き込み、消去(両方とも吸収したレーザー光強度に二次従属性を有する)、および読み取り(1光子吸収についての直接比例)の効率が変化する。レーザービームの一定の偏光方向について、吸収は、ディスクの1回転内のコサイン関数として変化する。問題の1つの解決を図24Aに示す。 Al 2 O 3 : C, Mg crystals and color centers formed in these crystals during crystal growth exhibit anisotropy with high optical properties. For example, the optical absorption at the color center for a laser beam polarized in a direction parallel to the optical c-axis of the crystal is about 2 to 4 times higher than the OA of the same light polarized perpendicular to the optical c-axis. This is true for several optical absorption bands, including but not limited to the 335 nm, 435 nm, 520 nm, and 620 nm absorption bands utilized in the present invention for write, read, and erase operations. FIG. 23 shows an example of the angle dependency (OA coefficient as a function of the angle of the polarization vector with respect to the optical c-axis) for the 435 nm OA band. The actual problem occurs when the crystal begins to be used in the form of a rotating disk. The translation of the medium should not be a problem, but when single crystal disk rotation is used, the strong anisotropy of OA has a second dependence on the write and erase (both absorbed laser light intensity). ) And reading (direct proportionality for one-photon absorption) changes. For a certain polarization direction of the laser beam, the absorption varies as a cosine function within one revolution of the disk. One solution to the problem is shown in FIG. 24A.

図24Aは、ディスク平面に垂直およびレーザー光伝播の方向に平行な光学c軸を有する異方性単結晶を用いる書き込み、読み取り、および消去操作の好適な態様の1つを示す。この態様は、回転しているディスクの角位置における書き込み、読み取り、および消去効率の依存性を排除する。図24Aに示す態様では、ディスク2401は、ディスク光学c軸2405のまわりを回転2403し、この光学c軸は、ディスク2401の平面に垂直でありそしてレーザービーム2408の伝播方向(kベクトル)2407およびピックアップヘッド(示さず)の光学軸に平行であり、そしてレーザービーム2408の偏光ベクトル2409に垂直である。ディスクの回転中、書き込み、読み取り、および消去の効率に変化はない。しかし、結晶c軸のこの方向についてのより低い吸収係数のため、書き込みおよび消去の効率は、約10倍減少し、そして読み取りの効率は2〜4倍減少する(図23を参照のこと)。   FIG. 24A shows one preferred embodiment of a write, read and erase operation using an anisotropic single crystal having an optical c-axis perpendicular to the disk plane and parallel to the direction of laser light propagation. This aspect eliminates the dependency of write, read and erase efficiency at the angular position of the spinning disk. In the embodiment shown in FIG. 24A, the disk 2401 rotates 2403 around the disk optical c-axis 2405, which is perpendicular to the plane of the disk 2401 and the propagation direction (k vector) 2407 of the laser beam 2408 and It is parallel to the optical axis of the pickup head (not shown) and perpendicular to the polarization vector 2409 of the laser beam 2408. There is no change in the efficiency of writing, reading and erasing while the disk is spinning. However, due to the lower absorption coefficient in this direction of the crystal c-axis, the write and erase efficiency is reduced by about 10 times and the read efficiency is reduced by 2 to 4 times (see FIG. 23).

本発明の他の好適な実施態様は、c軸2411を有するディスクを使用し、このc軸2411は、ディスクの平面に平行であり、ならびに光学c軸および対物レンズに入る前のディスクの平面に平行なレーザー光の偏光のベクトルに平行である(図24B)。図24Bは、回転しているディスクの平面に平行でありそしてレーザー光伝播の方向に垂直である光学c軸を有する異方性単結晶を用いる、書き込みおよび読み取り操作の好適な態様を示す。レーザー光の偏光方向は、ディスクの回転と同時に回転し、そしてすべての場合、結晶の光学c軸に平行である。この態様は、回転しているディスクの角位置に対する書き込み、読み取り、および消去効率の依存性を排除し、そして同時に書き込み、読み取り、および消去操作のより高い効率のためにより高い光学吸収を提供する。高NA対物レンズにおいて、光の回折のため、近軸光線およびオフアクシス光線は、対物レンズの光学軸に対して異なる配向の偏光ベクトルを有するが、光の偏光ベクトルを有し、そして互いに平行な結晶のc軸はさらに好適な配向である。本発明の好適な実施態様によれば、レーザー光の偏光ベクトルは、Al結晶のc軸がレーザー光偏光の方向にいつも平行であるように、書き込み、読み取り、および消去操作中に、単結晶ディスクの回転と同時に回転2413する。 Another preferred embodiment of the present invention uses a disc having a c-axis 2411 which is parallel to the plane of the disc and in the plane of the disc before entering the optical c-axis and the objective lens. It is parallel to the vector of polarization of the parallel laser light (FIG. 24B). FIG. 24B shows a preferred embodiment of a write and read operation using an anisotropic single crystal with an optical c-axis that is parallel to the plane of the rotating disk and perpendicular to the direction of laser light propagation. The polarization direction of the laser light rotates simultaneously with the rotation of the disk, and in all cases is parallel to the optical c-axis of the crystal. This aspect eliminates the dependency of write, read, and erase efficiency on the angular position of the spinning disk, and at the same time provides higher optical absorption for higher efficiency of write, read, and erase operations. In high NA objective lenses, due to light diffraction, paraxial and off-axis rays have differently oriented polarization vectors with respect to the optical axis of the objective lens, but have light polarization vectors and are parallel to each other The c-axis of the crystal is a more preferred orientation. According to a preferred embodiment of the present invention, the polarization vector of the laser light is determined during write, read and erase operations so that the c-axis of the Al 2 O 3 crystal is always parallel to the direction of the laser light polarization. Simultaneously with the rotation of the single crystal disk, it rotates 2413.

本発明の他の好適な実施態様では、光学データ記憶の利用した方法は、長期データ記憶に使用され得る。   In another preferred embodiment of the present invention, the utilized method of optical data storage can be used for long-term data storage.

本発明の他の好適な実施態様では、データ記録の利用した方法は、材料に記憶された1ビットの情報当たりに15nJもの小さいレーザーエネルギーを必要とする。   In another preferred embodiment of the invention, the utilized method of data recording requires as little as 15 nJ of laser energy per bit of information stored in the material.

本発明の他の好適な実施態様では、利用したAl:C,Mg結晶質材料は、書き込みおよび消去の両方の状態において室内灯に実質的に不感受性である。 In another preferred embodiment of the present invention, the utilized Al 2 O 3 : C, Mg crystalline material is substantially insensitive to room lights in both the write and erase states.

光学データ記憶のための公知の技術と比較して、本発明は、いくつかの利点を提供する。周知の技術についての比較的遅い相変化遷移および光誘導重合化に対して基本的に非常に速い電子プロセスの利用は、100Mb/秒までの1チャネルについてのデータ転送速度を提供する。提案した材料の3D容量ならびに光学ヘッドの青色レーザー光回折限界およびNAによってのみ制限される共焦点検出機構により、高いデータ記憶密度が達成される。多重データ層は、2光子吸収技法および共焦点検出機構を用いて書き込みおよび読み取り操作中に大容量の媒体中でアクセスされ得る。不揮発性読み取りは、記憶した情報の劣化を引き起こさない蛍光中心の1光子励起を用いて行われる。多重レベル(多値)データ記憶は、ルミネセンス応答の直線性のため、さらにデータ記憶密度を上昇させ得る。情報の「書き込み」および「読み取り」に必要とされる低い平均レーザー光強度(mWの範囲)は、好ましくは、コンパクト青色レーザーダイオードを使用することを可能にする。十分に確立されかつ効率的な結晶成長技術により、高い光学品質のAl結晶を生成する。 Compared to known techniques for optical data storage, the present invention provides several advantages. The use of essentially very fast electronic processes for the relatively slow phase change transitions and photoinduced polymerization for known techniques provides data transfer rates for one channel up to 100 Mb / s. High data storage density is achieved by the 3D capacity of the proposed material and the confocal detection mechanism limited only by the blue laser light diffraction limit and NA of the optical head. Multiple data layers can be accessed in high capacity media during write and read operations using two-photon absorption techniques and confocal detection mechanisms. Non-volatile reading is performed using one-photon excitation of the fluorescence center that does not cause degradation of stored information. Multilevel data storage can further increase data storage density due to the linearity of the luminescence response. The low average laser light intensity (in the mW range) required for information “writing” and “reading” preferably makes it possible to use compact blue laser diodes. A well-established and efficient crystal growth technique produces high optical quality Al 2 O 3 crystals.

本発明は、実施例によって説明される。以下に記載の実施例の実験は、上記の材料および手順の例示を意味し、そして本発明の限定的な説明と見なされるべきではない。   The invention is illustrated by examples. The experiments of the examples described below are meant to be illustrative of the materials and procedures described above and should not be considered as a limiting description of the invention.

実施例I
図1に示すタイプの光学データ記憶装置を用いて、本発明の方法を説明する。「書き込み」および「読み取り」の両方のレーザービームを、Nichiaレーザーダイオードを用いて構築したそれぞれの半導体レーザーによって生じさせた。2つのタイプの書き込みレーザーをテストした:405nmで18mWの出力を生じるPower TechnologyのCW変調レーザー、および411nmで1.5mWを発生するPicoQuantパルスレーザー(20MHz、60psパルス幅、400mWのピーク出力)。Power Technologyの「読み取り」レーザーの出力(440nm、3mW)を、中性密度フィルタを用いて制御した。2つのレーザービームを、フリッピングミラー、ダイクロイックミラー、およびNikon CFI PLAN FLUOR(0.85NA、60×)対物レンズを介してAl:C,Mg結晶質記憶媒体上に向けた。この無限共役対物レンズは、マニュアルの球面収差補償のための光学部品を有する。
Example I
The method of the present invention will be described using an optical data storage device of the type shown in FIG. Both “write” and “read” laser beams were generated by respective semiconductor lasers constructed using Nichia laser diodes. Two types of writing lasers were tested: a Power Technology CW-modulated laser that produces 18 mW at 405 nm, and a PicoQuant pulsed laser that produces 1.5 mW at 411 nm (20 MHz, 60 ps pulse width, 400 mW peak power). The output of the Power Technology “read” laser (440 nm, 3 mW) was controlled using a neutral density filter. Two laser beams were directed onto an Al 2 O 3 : C, Mg crystalline storage medium via a flipping mirror, a dichroic mirror, and a Nikon CFI PLAN FLUOR (0.85 NA, 60 ×) objective lens. This infinite conjugate objective lens has an optical component for manual spherical aberration compensation.

Al:C,Mgの単結晶ディスクを、10nmの解像度を有する3Dステッパ−ピエゾ並進ステージと組み合わせたPolytec PIに装着した。ディスクの3D容量内の焦点深さまたは一定のデータ層ならびに球面収差の修正の選択を、Z方向において結晶110を移動することによって、および対物レンズ上の修正カラーを回転させることによって行った。レーザー誘導蛍光を、対物レンズによって集め、そしてダイクロイックミラーによって反射させて共焦点ピンホール上の集光レンズを通した。長流路黄色ガラスフィルタOG515 134をPMTの前に設置して、残りの青色レーザー光を排除した。光電子増倍管によって検出した蛍光を、コンピュータと接続されたディジタルオシロスコープまたはStanford Research SR430マルチチャネル光子計数器のいずれかによって処理した。 A single crystal disk of Al 2 O 3 : C, Mg was mounted on a Polytec PI in combination with a 3D stepper-piezo translation stage having a resolution of 10 nm. The choice of depth of focus or constant data layer within the 3D capacity of the disc and correction of spherical aberration was made by moving the crystal 110 in the Z direction and by rotating the correction color on the objective lens. Laser-induced fluorescence was collected by an objective lens and reflected by a dichroic mirror through a condenser lens on a confocal pinhole. A long channel yellow glass filter OG515 134 was installed in front of the PMT to eliminate the remaining blue laser light. The fluorescence detected by the photomultiplier was processed either by a digital oscilloscope connected to a computer or a Stanford Research SR430 multichannel photon counter.

Al結晶の異なる深さでの回折限界ビットの記録は、注意深い球面収差補償(SAC)を必要とする。光学システムのSACを、50〜300μmの厚み変動を有する特別に製造したサファイア楔を用いるナイフエッジ技法を用いて校正した。適切な焦点平面位置および最適なSACを決定した後、「書き込み」および「読み取り」の両方のレーザービームプロファイルを測定した。1/eに焦点を合わせたレーザービームの直径は、100〜240μmのサファイア深さの範囲について0.55±0.05μmに等しい。 Recording of diffraction limited bits at different depths of Al 2 O 3 crystals requires careful spherical aberration compensation (SAC). The SAC of the optical system was calibrated using a knife-edge technique using a specially manufactured sapphire wedge with a thickness variation of 50-300 μm. After determining the proper focal plane position and the optimal SAC, both “write” and “read” laser beam profiles were measured. The diameter of the laser beam focused on 1 / e 2 is equal to 0.55 ± 0.05 μm for a sapphire depth range of 100-240 μm.

実施例II
直径45mmの結晶ブールから、1.8mm厚のAl:C,Mg結晶プレートを切り出した。両側を研磨し、そしてレーザービームの偏光に平行な結晶光学c軸を有する対物レンズの光学軸に垂直に、実施例Iに記載の試験台に設置した。435nmの青色吸収帯および520nmの緑色ルミネセンスの原因である色中心の濃度を、マイクロ立方当たり17,000中心であると見積もった。
Example II
A 1.8 mm thick Al 2 O 3 : C, Mg crystal plate was cut out from a crystal boule having a diameter of 45 mm. Both sides were polished and placed on a test bench as described in Example I, perpendicular to the optical axis of an objective lens having a crystal optical c-axis parallel to the polarization of the laser beam. The concentration of the color center responsible for the 435 nm blue absorption band and 520 nm green luminescence was estimated to be 17,000 centers per microcube.

以下のシーケンスでテストを行った。「書き込み」操作を、コンピュータ・インタフェース・ボードによって制御された変調CWまたはパルスレーザーダイオードのいずれかを用いて行った。両タイプのレーザーとも同様の結果であったが、パルスレーザーは、ビット当たりにエネルギーの必要が少なくそしてより良好な空間的分解能を生じる。結晶媒体を、ピエゾアクチュエータを用いて段階的増加させてXY平面中で移動させた。読み出し中、結晶媒体を、X方向においてランプモードでおよびYおよびZ方向において段階増加で並進させる。CWレーザービーム(15μW、440nm)は、結晶媒体から緑色(520nm)蛍光を励起した。   The test was performed in the following sequence. A “write” operation was performed using either a modulated CW or a pulsed laser diode controlled by a computer interface board. Although both types of lasers had similar results, pulsed lasers require less energy per bit and produce better spatial resolution. The crystal medium was moved in the XY plane stepwise using a piezo actuator. During readout, the crystalline medium is translated in ramp mode in the X direction and stepwise in the Y and Z directions. A CW laser beam (15 μW, 440 nm) excited green (520 nm) fluorescence from the crystal medium.

1ビット記録中に2光子吸収および読み取りのために共焦点蛍光検出機構を利用するAl:C,Mgのための高密度データ記憶プロセスを、図17の画像で例示する。蛍光コントラストでのビット画像を、本発明で記載の方法を用いて得、そして実施例Iで上記したおよび図1に記載の装置を用いて以下のシーケンスで行った。「書き込み」操作を、405nmのダイオードレーザービームを用いて全出力で行い、そしてレーザーパルス幅を、コンピュータ・インタフェース・ボードからのTTLパルスを用いて制御した。書き込み操作中の蛍光シグナルの減衰を、PMTおよびオシロスコープによって検出し、そしてこれは成功した書き込みの指標であった。読み取り操作中、コンピュータからのTTLパルスの他のシーケンスによって変調したCW低出力青色ダイオードレーザー(0.1mW、440nm)を用い、そしてダイクロイックミラーおよび共焦点ピンホールによって分離した緑色蛍光を、PMTおよび光子計数器によって検出した。 A high density data storage process for Al 2 O 3 : C, Mg that utilizes a confocal fluorescence detection mechanism for two-photon absorption and reading during 1-bit recording is illustrated in the image of FIG. A bit image with fluorescence contrast was obtained using the method described in the present invention and was performed in the following sequence using the apparatus described above in Example I and described in FIG. A “write” operation was performed at full power using a 405 nm diode laser beam, and the laser pulse width was controlled using TTL pulses from a computer interface board. The decay of the fluorescent signal during the writing operation was detected by PMT and oscilloscope, and this was an indicator of successful writing. During the read operation, green fluorescence separated by PMT and photon using a CW low power blue diode laser (0.1 mW, 440 nm) modulated by another sequence of TTL pulses from a computer and separated by a dichroic mirror and confocal pinhole Detected by a counter.

5μm離れて間隔の開いた3×3ビットのマトリクスを記録し、そして蛍光コントラストでの画像として読み取った(図17を参照のこと)。405nmレーザー光でおよび1ビット当たりちょうど25nJの記録エネルギーで、9ビットを書き込んだ。「読み取り」操作を、情報の消去を防止するために「書き込みビーム」よりも長い440nmの波長を有する変調CWレーザーダイオードで、結晶記憶媒体の記録した領域を走査することによって行った。書き込んだビットの画像を得るために、記憶媒体の走査を、Polytec PIからのピエゾアクチュエータ3Dステージを用いて行った。蛍光シグナルの単一光子パルスを、PMTおよびパーソナルコンピュータと接続した多チャネル光子計数器Stanford Research SR430を用いて検出した。結晶の走査を、0.2μmの増分および153μm/秒の走査速度で行った。記録したビットの変調深さは約40%であり、そして単一ビットについての半値全幅は約1μmであった。   A 3 × 3 bit matrix spaced 5 μm apart was recorded and read as an image with fluorescence contrast (see FIG. 17). Nine bits were written with 405 nm laser light and a recording energy of just 25 nJ per bit. A “read” operation was performed by scanning the recorded area of the crystal storage medium with a modulated CW laser diode having a wavelength of 440 nm longer than the “write beam” to prevent erasure of information. In order to obtain an image of the written bits, the storage medium was scanned using a piezo actuator 3D stage from Polytec PI. Single photon pulses of fluorescence signal were detected using a multi-channel photon counter Stanford Research SR430 connected to PMT and personal computer. Crystal scans were performed at 0.2 μm increments and a scan rate of 153 μm / sec. The modulation depth of the recorded bits was about 40% and the full width at half maximum for a single bit was about 1 μm.

実施例III
実施例Iに記載の装置を利用する高密度記録およびタイプ1または「負」の読み出しモードを証明した。XおよびY方向における1μmの増分を有する100×100ビット画像(図18)を、3Dピエゾアクチュエータを用いて書き込んだ。各ビットを、パルスPicoQuantダイオードレーザー(1ビット当たり1000パルス)によって生じた15nJのエネルギーで書き込んだ。緑色520nm発光の蛍光コントラストにおけるビットパターンの読み取りを、変調CWレーザービーム(440nm、15μW)を用いて、200nmの線間を有するラスターを走査することによって行った。500×500ピクセルを有する画像を得た。1μm離れて間隔の開いた数ビットの空間的プロファイルを図19に示し、そしてこれは12%の変調深さを証明する。
Example III
High density recording utilizing the apparatus described in Example I and type 1 or “negative” readout modes were demonstrated. A 100 × 100 bit image (FIG. 18) with 1 μm increments in the X and Y directions was written using a 3D piezo actuator. Each bit was written with an energy of 15 nJ generated by a pulsed PicoQuant diode laser (1000 pulses per bit). Reading the bit pattern in the fluorescence contrast of green 520 nm emission was performed by scanning a raster with 200 nm line spacing using a modulated CW laser beam (440 nm, 15 μW). An image having 500 × 500 pixels was obtained. A spatial profile of several bits spaced 1 μm apart is shown in FIG. 19, which demonstrates a modulation depth of 12%.

実施例IV
「書き込み」操作中に生じそして335nmおよび620nm吸収帯ならびに750nm蛍光発光帯を有する色中心を利用する「正の」または「タイプ2」モードの読み取り操作を、実施例Iの最初に記載しそして図1に記載の装置をいくつか改変して用いてテストした。632.8nmの波長を有する赤色He−Neレーザーを、読み取りレーザーとして用いた。405または473nmの「書き込み」波長で透明かつ750nmの蛍光に対して反射する異なるダイクロイックミラーを設置した。装置の他の改変は、既述の実施例で使用した緑色感受性光検出器の代わりに、近赤外感受性アバランチ光検出器およびその前面に設置した665長流路フィルタを含む。実施例IIに記載の同様のAl:C,Mg結晶プレートをテストに用いた。結晶媒体の作動を、静止テスターの3Dピエゾアクチュエータまたは動的テスターの2Dステッパーステージの上部に設置した空気スピンドルのいずれかによって行った。書込み操作を、コンピュータ制御した405nmレーザーダイオードを用いて行った。蛍光シグナルを、アバランチ光検出器によって共焦点ジオメトリで検出し、そしてオシロスコープおよびコンピュータによって記録した。側方(XY)平面において得られたビットの画像を図20に示す。100×60ビットのマトリクスを、473nm青色レーザーで結晶の容積中に10μm深さで書き込み、そして赤色633nm He−Neレーザーを用いてXY平面で読み取った。記録して読み取ったビットは、側方に0.8μmおよび軸方向に2.5μmの半値幅を有する。このモードの操作において、読み出し蛍光シグナルは、小さい(ほぼ0)レベルのバックグラウンドシグナルで測定されるため、「正の」モードの操作により、より良好な信号対雑音比が可能になるが、「負の」タイプの読み取り操作においては、読み出しシグナルは、高い初期レベルの緑色蛍光の負の変調として測定される。
Example IV
A “positive” or “type 2” mode read operation that occurs during a “write” operation and utilizes a color center with 335 nm and 620 nm absorption bands and a 750 nm fluorescence emission band is described at the beginning of Example I and illustrated in FIG. The apparatus described in 1 was tested with some modifications. A red He—Ne laser with a wavelength of 632.8 nm was used as the reading laser. Different dichroic mirrors were installed that were transparent at 405 or 473 nm “writing” wavelength and reflected for 750 nm fluorescence. Other modifications of the device include a near-infrared sensitive avalanche photodetector and a 665 long-pass filter installed in front of it, instead of the green sensitive photodetector used in the previous examples. A similar Al 2 O 3 : C, Mg crystal plate as described in Example II was used for the test. The operation of the crystallization medium was performed either by a static tester 3D piezo actuator or a dynamic tester 2D stepper stage on top of an air spindle. The writing operation was performed using a computer controlled 405 nm laser diode. The fluorescence signal was detected in confocal geometry by an avalanche photodetector and recorded by an oscilloscope and computer. An image of the bit obtained in the lateral (XY) plane is shown in FIG. A 100 × 60 bit matrix was written at 10 μm depth into the crystal volume with a 473 nm blue laser and read in the XY plane using a red 633 nm He—Ne laser. The recorded and read bits have a half width of 0.8 μm laterally and 2.5 μm axially. In this mode of operation, the readout fluorescence signal is measured with a small (nearly zero) level background signal, so that a “positive” mode of operation allows a better signal-to-noise ratio, In a “negative” type of read operation, the read signal is measured as a negative modulation of a high initial level of green fluorescence.

実施例V
さらに他のテストにおいて、多層記録の可能性を証明した。Al:C,Mg結晶媒体の容積において、2μmの側方および7mの軸並進増分を有する5層の記録したビットを得た(図21)。結晶の容積において2PAを用いて書き込んだ単一ビットは、レーザービーム伝播方向に対して側方および軸方向に異なる寸法を有する。ビットの理論的な軸サイズは、側方ビットサイズよりも3〜4倍大きいべきである。軸方向(XZ平面)に書き込まれたビットのサイズを決定するために、データのビットを、上記実施例IIIのように、XZ平面において3D並進ステージの段階増分作動を用いて書き込み、次いで蛍光コントラストにおけるビットの画像を、633nmレーザービームを用いるXZ平面における結晶のラスター走査によって得た。各層のビットを記録し、そして対物レンズの球面収差補償(SAC)のマニュアル制御で読み取った。これは、蛍光画像のいくつかのゆがみを説明する。自動化SACは、2mmの厚みを有する結晶の容積において300以上の層のデータビットを得ることを可能にするべきである。
Example V
In other tests, the possibility of multilayer recording was proved. In the volume of Al 2 O 3 : C, Mg crystal media, 5 layers of recorded bits with 2 μm lateral and 7 m axial translation increments were obtained (FIG. 21). A single bit written with 2PA in the crystal volume has different dimensions laterally and axially with respect to the laser beam propagation direction. The theoretical axis size of the bit should be 3-4 times larger than the side bit size. To determine the size of the bits written in the axial direction (XZ plane), the bits of data are written using a step incremental operation of a 3D translation stage in the XZ plane, as in Example III above, and then fluorescence contrast An image of the bit at was obtained by raster scanning of the crystal in the XZ plane using a 633 nm laser beam. Bits for each layer were recorded and read with manual control of objective lens spherical aberration compensation (SAC). This accounts for some distortions in the fluorescence image. Automated SAC should be able to obtain more than 300 layers of data bits in a crystal volume having a thickness of 2 mm.

実施例VI
赤色レーザー刺激を利用するデータの光学安定性および光学消去を証明した。最初に、Al:C,Mg単結晶媒体の容積に書き込んだデータビットの安定性を、図1に記載の装置および実施例IIIに記載の書き込み/読み取り技法を用いてテストした。データビットを、青色473nmレーザーを用いて書き込んだ。次いで、記憶媒体におけるデータのトラックを、3mWの出力を有する633nm He−Neレーザーを用いて複数回走査して、データシグナルの蛍光振幅の依存性を、読み取りサイクル数および総照射時間の関数として得た。図13は、総照射時間の関数としての蛍光シグナルの減少を示す。高集束レーザービームでの総照射の1秒(これは、1MHzのデータ速度での1×10読み取りサイクルに等価である)において、データシグナルは5%のみ低下した。
Example VI
The optical stability and optical erasure of data utilizing red laser stimulation were proved. Initially, the stability of data bits written to the volume of Al 2 O 3 : C, Mg single crystal media was tested using the apparatus described in FIG. 1 and the write / read technique described in Example III. Data bits were written using a blue 473 nm laser. The track of data in the storage medium is then scanned multiple times using a 633 nm He-Ne laser with an output of 3 mW to obtain the fluorescence amplitude dependence of the data signal as a function of the number of read cycles and the total irradiation time. It was. FIG. 13 shows the decrease in fluorescence signal as a function of total irradiation time. At 1 second of total irradiation with a highly focused laser beam (this is equivalent to a 1 × 10 6 reading cycle at a data rate of 1 MHz), the data signal dropped by only 5%.

実施例VII
本発明のデータの光学消去の好適な方法を、パルス赤色(620nm)レーザー刺激を用いることによって本実施例で説明する。まず、Al:C,Mgの単結晶を、435nm波長の単一ビームに同調したContinuum Panther光パラメトリック発振器(OPO)の435nmパルスレーザー照射によって、「書き込み」状態に変換し、そして結晶の光吸収スペクトルを記録した。次いで、結晶を、同じOPOからの620nmパルスレーザー光での1セットの照射に供し、そしてすべての吸収帯の強度を、各サイクルの照射後に記録した。335、435、および620nm帯の強度を、光吸収スペクトルの数値デコンボルーション後に得た。結果を図14に示し、そして高ピーク出力密度の赤色レーザー照射を用いることによって、335nmおよび630nm帯を消去し、そして435nm帯を回復し、この方法が、媒体を元の書き込まれていない状態に変換できることを証明する。
Example VII
A preferred method of optical erasure of the data of the present invention is illustrated in this example by using pulsed red (620 nm) laser stimulation. First, a single crystal of Al 2 O 3 : C, Mg is converted to a “written” state by 435 nm pulsed laser irradiation of a continuous panther optical parametric oscillator (OPO) tuned to a single beam of 435 nm wavelength, and the crystal The light absorption spectrum was recorded. The crystals were then subjected to a set of irradiations with 620 nm pulsed laser light from the same OPO, and the intensity of all absorption bands was recorded after each cycle of irradiation. Intensities in the 335, 435, and 620 nm bands were obtained after numerical deconvolution of the light absorption spectrum. The results are shown in FIG. 14 and by erasing the 335 nm and 630 nm bands and recovering the 435 nm band by using high peak power density red laser irradiation, this method returns the media to its original unwritten state. Prove that it can be converted.

実施例VIII
図15および16は、Al:C,Mg光学記憶媒体を利用する多重レベルデータ記憶の可能性を説明する。多重レベル記憶は、書き込まれたビットの蛍光強度と書き込みパルスの数との間の逆比例性に基づく。Al:C,Mg結晶に、「書き込み」レーザーパルスの増数を用いて10ビットを書き込んだ。生成したビットの変調深さは、レーザーパルスの数の非線形関数であるが、それにもかかわらずいくつかのデータ値上にディジタル化され得、そして本発明の方法および媒体を利用してデータ記憶密度がさらに増加され得る。
Example VIII
15 and 16, Al 2 O 3: C, illustrating the possibility of multilevel data storage utilizing Mg optical storage medium. Multilevel storage is based on the inverse proportionality between the fluorescence intensity of the written bits and the number of write pulses. Ten bits were written on the Al 2 O 3 : C, Mg crystal using an increase in the number of “write” laser pulses. The modulation depth of the generated bit is a non-linear function of the number of laser pulses, but can nevertheless be digitized over several data values and uses the method and medium of the present invention to store data density Can be further increased.

実施例IX
本発明のテストに利用したAl:C,Mg結晶の光学特性を、ここで説明する。45mmの直径を有するブールの形状のAl:C,Mg結晶を得た。次いで、結晶を、1.8mm厚のディスクにカットし、そして両側を研磨して光学品質表面を得た。本発明で利用したAl:C,Mg結晶質材料および公知のAl:C結晶の光吸収スペクトルを、Shimadzu UV-2104PC分光光度計を用いて得、そして図2に示す。230および255nmでのF−帯の強度は、Mgでドープした結晶のほうが顕著に高い。これは、Mg2+イオンによって電荷補償されたF−中心のより高い濃度を示す。435nmの青色吸収帯は、本発明で使用した集合F 2+(2Mg)欠損の生成を示す。成長した結晶は、205nmのF−中心帯で30cm−1の吸収および255nmのF−中心吸収帯で10cm−1の吸収係数およびF 2+(Mg)−中心の吸収に対応する435nmで1.2cm−1の吸収を有した(図2および3を参照のこと)。すべての吸収係数を、バックグラウンドペデスタルを差し引いた後に示す。スマキュラ(Smacula)の式に従って、吸収係数を、8.6×1017cm−3のF−中心の濃度、および2.6×1017cm−3のF−中心の濃度および1.7×1016cm−3のF 2+(Mg)−中心の濃度に変換し得る。後者の数は、記憶媒体のマイクロ立方当たり17,000の蛍光中心があることを示す。
Example IX
The optical properties of the Al 2 O 3 : C, Mg crystal used for the test of the present invention will now be described. A boule-shaped Al 2 O 3 : C, Mg crystal having a diameter of 45 mm was obtained. The crystals were then cut into 1.8 mm thick disks and polished on both sides to obtain an optical quality surface. The light absorption spectra of the Al 2 O 3 : C, Mg crystalline material utilized in the present invention and the known Al 2 O 3 : C crystal are obtained using a Shimadzu UV-2104PC spectrophotometer and are shown in FIG. The intensity of the F + -band at 230 and 255 nm is significantly higher for crystals doped with Mg. This indicates a higher concentration of F + -centers charge compensated by Mg 2+ ions. The 435 nm blue absorption band indicates the generation of aggregate F 2 2+ (2Mg) defects used in the present invention. The grown crystal is 1 at 435 nm, corresponding to an absorption coefficient of 30 cm −1 in the F− central band of 205 nm and an absorption coefficient of 10 cm −1 in the F + − central absorption band of 255 nm and absorption in the F 2 2+ (Mg) − center. It had an absorption of 2 cm −1 (see FIGS. 2 and 3). All absorption coefficients are shown after subtracting the background pedestal. According to the Smacula equation, the absorption coefficient was calculated as the F-center concentration of 8.6 × 10 17 cm −3 , and the F + -center concentration of 2.6 × 10 17 cm −3 and 1.7 × It can be converted to a concentration of 10 16 cm −3 F 2 2+ (Mg) − center. The latter number indicates that there are 17,000 fluorescent centers per microcube of storage medium.

実施例X
本発明の「書き込み」、「読み取り」、および「消去」操作に適切な波長範囲を正当化するために、2つの異なる状態においてMgおよびCでドープしたAlの集合中心の発光−励起スペクトルを得た(図4および図7)。パルスEG&G Xeランプを装着した分光蛍光計、2つの走査Acton Researchスペクトログラフ、およびPrinceton Instrumentsの冷却CCDを用いて、スペクトルを得た。新鮮な(または消去した)結晶が、435nmの青色吸収帯に対応する励起帯とともに520nmの領域の強い緑色ルミネセンス帯を示すことを示した(図2および3)。430nmパルスレーザーでの書込み操作後、青色435nm吸収帯(図3を参照のこと)および対応する520nm緑色発光帯はほとんど完全に消失し、そして結晶は、すべてがF (2Mg)−中心に対応する260nm、355nm、および620nmの励起帯(図7)とともに750nmの領域の強い発光帯を示す。F 2+(2Mg)−およびF (2Mg)−中心に対応する両発光帯である520nmの緑色帯および750nmのIR帯は、それぞれ約9および80nsの短い寿命を有する(図5および8を参照のこと)。
Example X
Luminescence-excitation of aggregate centers of Al 2 O 3 doped with Mg and C in two different states in order to justify the appropriate wavelength range for the “write”, “read” and “erase” operations of the present invention Spectra were obtained (FIGS. 4 and 7). Spectra were acquired using a spectrofluorometer equipped with a pulsed EG & G Xe lamp, two scanning Acton Research spectrographs, and a Princeton Instruments cooled CCD. Fresh (or erased) crystals were shown to show a strong green luminescence band in the 520 nm region with an excitation band corresponding to the 435 nm blue absorption band (FIGS. 2 and 3). After a writing operation with a 430 nm pulsed laser, the blue 435 nm absorption band (see FIG. 3) and the corresponding 520 nm green emission band disappear almost completely, and the crystals are all in the F 2 + (2Mg) − center. A strong emission band in the region of 750 nm is shown with corresponding excitation bands of 260 nm, 355 nm and 620 nm (FIG. 7). The two emission bands corresponding to the F 2 2+ (2Mg)-and F 2 + (2Mg)-centers, the 520 nm green band and the 750 nm IR band, have short lifetimes of about 9 and 80 ns, respectively (FIGS. 5 and 8). checking).

実施例XI
データを記録および消去するために利用したAl:C,Mgにおける色中心の光誘導変換を証明した。酸素空格子点欠損を有するAl:C,Mg結晶を適切な波長の高強度レーザー光に曝露することにより、1つの荷電状態から他の状態への同じ構造欠損の光誘導変換を生じ得る。例えば、F 2+(2Mg)−中心は、430nm照射でF (2Mg)−中心に変換され(図3および6)、そして335nmパルスレーザー光で変換されて戻り得る。青色レーザー光によって誘導されるフォトクロミック遷移の後、Al:C,Mg結晶は、335nmおよび620nmで吸収/励起帯(図3、6、および7)、ならびに750nmで対応する広い蛍光発光を示す(図7)。
Example XI
We have demonstrated the color-centered light-induced transformation in Al 2 O 3 : C, Mg used to record and erase data. Exposure of Al 2 O 3 : C, Mg crystals with oxygen vacancy defects to high intensity laser light of the appropriate wavelength results in light-induced transformation of the same structural defect from one charged state to another. obtain. For example, F 2 2+ (2Mg) − center can be converted to F 2 + (2Mg) − center with 430 nm irradiation (FIGS. 3 and 6) and converted back with 335 nm pulsed laser light. After a photochromic transition induced by blue laser light, the Al 2 O 3 : C, Mg crystal exhibits an absorption / excitation band at 335 nm and 620 nm (FIGS. 3, 6, and 7) and a corresponding broad fluorescence emission at 750 nm. Shown (FIG. 7).

実施例XII
集合酸素空格子点欠損における好適な2光子吸収の証拠を、これらの中心対レーザー光強度の光イオン化断面積の二次従属性によって提供する(図9を参照のこと)。薄い380μmのAl:C,Mg結晶を照射しそしてレーザーエネルギー密度の関数として蛍光の減衰定数を記録するテストを、光パラメトリック発振器の415nm、4.5nsレーザーパルスを用いて行った。次いで、光イオン化断面積をこの減衰定数に対して逆比例すると算出した。
Example XII
Evidence of suitable two-photon absorption in aggregate oxygen vacancy defects is provided by the secondary dependence of the photoionization cross section of these center-pair laser light intensities (see FIG. 9). A test was performed using a 415 nm, 4.5 ns laser pulse of an optical parametric oscillator, irradiating a thin 380 μm Al 2 O 3 : C, Mg crystal and recording the fluorescence decay constant as a function of laser energy density. The photoionization cross section was then calculated to be inversely proportional to this attenuation constant.

2+(2Mg)中心の光イオン化断面積の波長依存性を、波長の関数として測定した。光イオン化断面積のピーク位置は、1光子吸収/励起帯と比較してより短波長にシフトされ(図4および10)、そしてAl:C,Mg結晶において2PAプロセスのほかの指標である。 The wavelength dependence of the photoionization cross section at the center of F 2 2+ (2Mg) was measured as a function of wavelength. The peak position of the photoionization cross section is shifted to a shorter wavelength compared to the one-photon absorption / excitation band (FIGS. 4 and 10) and is another indicator of the 2PA process in Al 2 O 3 : C, Mg crystals is there.

実施例XIII
本発明の可能なデータ転送速度および非破壊的読み出し操作をテストした。タイプ1(すなわち、いわゆる「負の」操作)で書き込んだ領域の読み取りを、PicoQuantからの青色レーザーダイオードで行った(0.6mWの平均出力、60psパルス、および20MHzで繰返し速度)。520nmでの蛍光を、長流路ガラスフィルタOG515、高速ThorLabs DET210シリコン光検出器、およびTektonix TDS-3045オシロスコープを用いて検出した。9nsの減衰時間を有する蛍光シグナルを図5に示し、そして100Mビット/秒までのデータ転送速度を達成することの可能性を示す。結晶の書き込まれていない領域の蛍光シグナルは、強い520nm蛍光を示す。このパルスシグナルの振幅は、数時間にわたり減少せず、これは「読み取り」操作中に1光子吸収のみがあることを示す。比較のために、「書き込み」パルス435nmレーザー光に供した結晶の領域は、書き込まれていない結晶からのシグナルの10%のみと等しい蛍光シグナルを示す。
Example XIII
The possible data rates and non-destructive read operations of the present invention were tested. Areas written with Type 1 (ie, so-called “negative” operation) were read with a blue laser diode from PicoQuant (0.6 mW average power, 60 ps pulse, and repetition rate at 20 MHz). Fluorescence at 520 nm was detected using a long channel glass filter OG515, a fast ThorLabs DET210 silicon photodetector, and a Tektonix TDS-3045 oscilloscope. A fluorescent signal with a decay time of 9 ns is shown in FIG. 5 and shows the possibility of achieving data transfer rates up to 100 Mbit / s. The fluorescence signal in the unwritten region of the crystal shows strong 520 nm fluorescence. The amplitude of this pulse signal does not decrease over several hours, indicating that there is only one photon absorption during the “read” operation. For comparison, the region of the crystal subjected to “write” pulse 435 nm laser light shows a fluorescent signal equal to only 10% of the signal from the unwritten crystal.

実施例XIV
タイプ2または「正の」蛍光プロセスを利用する読み出し操作をテストした。「書き込み」操作を、実施例IIに記載と同じ結晶試料および実施例VIIに記載のContinuum Panther OPOレーザーシステムを用いて行った。タイプ2(または「正の」タイプの操作)で書き込んだ領域の読み取りを、同じOPOレーザーシステム(100nJ/パルス、4.5nsパルス幅、および10Hz繰返し速度)からの335nm UVビームで行った。750nmでの蛍光を、長流路ガラスフィルタRG610およびThorLabs, Inc.のシリコン光ダイオードDET-110、およびTektonix TDS-3054オシロスコープを用いて検出した。80±10nsの減衰時間を有する蛍光シグナルを図8に示す。漂白した(書き込んだ)結晶の750nmの赤外蛍光帯は、消去した結晶媒体の520nmの緑色蛍光よりも長い寿命を有するが、これでも、10Mb/秒までのデータ転送速度操作に対してはなお十分に速い。
Example XIV
Readout operations utilizing type 2 or “positive” fluorescence processes were tested. A “write” operation was performed using the same crystal sample as described in Example II and the Continuum Panther OPO laser system described in Example VII. Reading of the area written with Type 2 (or “positive” type operation) was performed with a 335 nm UV beam from the same OPO laser system (100 nJ / pulse, 4.5 ns pulse width, and 10 Hz repetition rate). Fluorescence at 750 nm was detected using a long channel glass filter RG610 and ThorLabs, Inc. silicon photodiode DET-110, and a Tektonix TDS-3054 oscilloscope. The fluorescence signal with a decay time of 80 ± 10 ns is shown in FIG. The 750 nm infrared fluorescence band of the bleached (written) crystal has a longer lifetime than the 520 nm green fluorescence of the erased crystal medium, but this is still not sufficient for data rate operations up to 10 Mb / s. Fast enough.

実施例XV
図6は、435と335nmとの間の吸収帯強度の逆比例およびそれらの書き込み時間の依存性に基づく、利用した光学記憶方法の多重レベルデータ記憶能力の他の例として使用され得る。実施例IIに記載のAl:C,Mg結晶を、実施例VIIに記載のOPOレーザーシステムの430nm「書き込み」レーザーパルスの増数に供した。各秒の照射は10レーザーパルスに対応する。520nm蛍光シグナルに関連する435nm帯での吸収は、書き込みレーザーパルスの数の関数として減少するが、F (2Mg)に関連する335nm帯および750nmの赤外ルミネセンスの吸収は同時に増加する。
Example XV
FIG. 6 can be used as another example of the multilevel data storage capability of the utilized optical storage method based on the inverse proportionality of the absorption band intensity between 435 and 335 nm and their writing time dependence. The Al 2 O 3 : C, Mg crystal described in Example II was subjected to an increase in the 430 nm “write” laser pulse of the OPO laser system described in Example VII. Each second of irradiation corresponds to 10 laser pulses. While the absorption in the 435 nm band associated with the 520 nm fluorescence signal decreases as a function of the number of writing laser pulses, the absorption in the 335 nm band and 750 nm infrared luminescence associated with F 2 + (2Mg) increases simultaneously.

実施例XVI
Al:C,Mg結晶におけるフォトクロミック変換の非常に重要な特徴は、その高い熱安定性である。この記録した情報の高い熱および光安定性は、結晶成長中に生じた深いトラップのためであり、そしてAl:C,Mg結晶における光吸収帯のステップアニーリングテストによって証明される(図11)。高い強度の青色レーザー光での記録中、430nm帯は335nmおよび620nm帯に変換する[2F 2+(2Mg)+2hν→F (2Mg)+F 3+(2Mg)]。光吸収帯の逆変換[F (2Mg)+F 3+(2Mg)→F 2+(2Mg)]は、約650℃で起こる。
Example XVI
A very important feature of photochromic transformation in Al 2 O 3 : C, Mg crystals is its high thermal stability. The high thermal and light stability of this recorded information is due to the deep traps that occur during crystal growth and is demonstrated by a step annealing test of the light absorption band in Al 2 O 3 : C, Mg crystals (FIG. 11). During recording with high intensity blue laser light, the 430 nm band is converted into 335 nm and 620 nm bands [2F 2 2+ (2Mg) + 2hν → F 2 + (2Mg) + F 2 3+ (2Mg)]. The inverse transformation of the light absorption band [F 2 + (2Mg) + F 2 3+ (2Mg) → F 2 2+ (2Mg)] occurs at about 650 ° C.

実施例XVII
435nm吸収帯の逆フォトクロミック変換および回復を、パルス335±20nm照射、またはより効率的なFおよびF (2Mg)中心の吸収に対応する215nm次いで335nmレーザー光での結晶の連続照射のいずれかによって達成した。435nmでの元の強い吸収および520nmでの蛍光が回復した。F (Mg)−中心をF 2+(Mg)−中心に変換する逆フォトクロミックプロセスは、335nm吸収帯内のレーザー光の2光子吸収によって行われ得る。記録したデータの完全消去およびAl:C,Mgの元の緑色の着色の回復は、結晶を650℃まで加熱することによって達成され得る(図11)。
Example XVII
Either reverse photochromic conversion and recovery of the 435 nm absorption band, either pulse 335 ± 20 nm irradiation, or continuous irradiation of the crystal with 215 nm then 335 nm laser light corresponding to more efficient F and F 2 + (2Mg) center absorption Achieved by. The original strong absorption at 435 nm and fluorescence at 520 nm were restored. The inverse photochromic process that converts F 2 + (Mg) − centers to F 2 2+ (Mg) − centers can be performed by two-photon absorption of laser light in the 335 nm absorption band. Complete erasure of recorded data and recovery of the original green coloration of Al 2 O 3 : C, Mg can be achieved by heating the crystals to 650 ° C. (FIG. 11).

本出願明細書に引用されたすべての文献、特許文献、雑誌、および他の材料は、参考として本明細書に援用される。   All documents, patent documents, journals, and other materials cited in this application are hereby incorporated by reference.

本発明が、本出願において本明細書に記載の特定の材料および技術的工程の詳細に限定されないことを強調することが重要である。本発明は、他の実施態様で可能であり、そして種々の方法で実行されそして行われ得る。本明細書で用いられる語句および用語は、説明を目的とし限定を目的としないことが理解されるべきである。   It is important to emphasize that the present invention is not limited to the details of specific materials and technical processes described herein in this application. The invention is possible in other embodiments and can be implemented and carried out in various ways. It should be understood that the terms and terms used herein are for purposes of illustration and not limitation.

本発明は、添付の図面を参照して好適な実施態様とともに十分に記載されているが、種々の変更および改変が当業者に明らかであり得ることが理解されるべきである。このような変更および改変は、本発明から逸脱しない限り、添付の請求の範囲よって定義される本発明の範囲内に包含されると理解されるべきである。   Although the present invention has been fully described with preferred embodiments with reference to the accompanying drawings, it is to be understood that various changes and modifications may be apparent to those skilled in the art. Such changes and modifications are to be understood as being included within the scope of the present invention as defined by the appended claims without departing from the invention.

2光子吸収を用いて本発明のデータ記憶媒体に情報を書き込む工程、および共焦点検出機構を有するレーザー誘導蛍光を用いて本発明のデータ記憶媒体から情報を読み取る工程を示す概略図である。It is the schematic which shows the process of writing information in the data storage medium of this invention using two photon absorption, and the process of reading information from the data storage medium of this invention using the laser induction fluorescence which has a confocal detection mechanism. 2つの結晶の光吸収スペクトルを示す:放射線量計測に用いられる公知のAl:C結晶のスペクトル、およびより高濃度のF−中心(255nmでの吸収)および新しい材料を明確に区別するF (2Mg)−およびF 2+(2Mg)−中心に対応する新しい吸収帯を有する、本発明の好適な実施態様であるAl:C,Mg単結晶のスペクトル。Shows the optical absorption spectra of two crystals: the known Al 2 O 3 : C crystal spectrum used for radiation dosimetry, and the higher concentration of F + -center (absorption at 255 nm) and the new material clearly distinguished to F 2 + (2Mg) - and F 2 2+ (2Mg) - corresponding to the center with a new absorption band, which is a preferred embodiment of the present invention Al 2 O 3: C, spectrum of Mg single crystal. 書き込みおよび消去操作中のAl:C,Mg結晶における335、435、および620nm吸収帯のフォトクロミック変換を示し、そして色中心における電子の2光子吸収、イオン化、およびトラッピングの結果である。 3 shows photochromic conversion of the 335, 435, and 620 nm absorption bands in Al 2 O 3 : C, Mg crystals during write and erase operations, and is the result of two-photon absorption, ionization, and trapping of electrons at the color center. 到着または消去状態におけるAl:C,Mgで生成したF 2+(2Mg)−中心の吸収、励起、および発光スペクトルを示すグラフであり、520nmの発光帯の励起スペクトルが同じ欠損に割り当てられた435nmの吸収帯とよく一致し、そしてF 2+(2Mg)−中心についての2光子光イオン化断面積の波長依存性を示す。Assignment center absorption, excitation, and a graph showing the emission spectrum, excitation spectrum of the emission band of 520nm to the same deficiency - C, F 2 2+ generated in Mg (2Mg): Al 2 O 3 in arrival or erased state It is in good agreement with the obtained 435 nm absorption band and shows the wavelength dependence of the two-photon photoionization cross section for the F 2 2+ (2Mg) − center. 本発明の好適な実施態様のAl:C,Mgルミネセンス材料についての、520nmでのF 2+(2Mg)−中心発光の寿命が9±3nsに等しい20MHzの繰返し速度での蛍光シグナルの連続読み出しを示すグラフである。Fluorescent signal at a repetition rate of 20 MHz with a lifetime of F 2 2+ (2Mg) -center emission at 520 nm equal to 9 ± 3 ns for the Al 2 O 3 : C, Mg luminescent material of a preferred embodiment of the present invention. It is a graph which shows continuous reading of. 本発明の好適な実施態様のAl:C,Mgルミネセンス材料についての、435および335nmの吸収帯強度と「書き込み」時間の依存性との間の逆比例に基づく多重レベルデータ記憶原理を示すグラフである。Al 2 O 3 of a preferred embodiment of the present invention: C, Mg luminescent for sensing material, multilevel data storage principle based on the inverse proportionality between the dependency of the absorption band intensity of 435 and 335nm "write" time It is a graph which shows. 430nmの波長を有するパルス青色レーザー光を用いるAl:C,Mg結晶におけるF 2+(2Mg)−中心の光変換(「書き込み」操作)の結果として得られたF (2Mg)−中心の励起および発光スペクトルを示すグラフである。 Al 2 O 3 using pulsed blue laser light having a wavelength of 430nm: C, F 2 2+ in Mg crystal (2Mg) - optical conversion of the center ( "write" operation) of the resulting F 2 + (2Mg) -A graph showing the excitation and emission spectra of the center. 本発明の好適な実施態様のAl:C,Mgルミネセンス材料についての、80±5nsに等しい750nmでのF (2Mg)−中心発光の寿命測定を示すグラフである。FIG. 6 is a graph showing lifetime measurements of F 2 + (2Mg) -center emission at 750 nm equal to 80 ± 5 ns for an Al 2 O 3 : C, Mg luminescent material of a preferred embodiment of the present invention. ピークレーザー光強度におけるF 2+(2Mg)−中心の光イオン化断面積の二次従属性を示すグラフであり、Al:C,Mg結晶における2光子吸収プロセスの高い確率を示す。 F 2 2+ in the peak laser intensity (2Mg) - is a graph showing the secondary dependence of photoionization cross-section of the center, Al 2 O 3: C, indicating a high probability of two-photon absorption process in Mg crystal. 光イオン化断面積の波長依存性を示すグラフであり、約390nmにAl:C,Mgにおいて「書き込み」操作を行うための最適波長を示す。It is a graph showing the wavelength dependence of the photoionization cross-section, Al 2 O 3 at about 390 nm: C, shows the optimum wavelength for performing the "write" operation in Mg. 図11Aは、255nmでの光吸収帯(F−中心)の温度依存性を示すグラフであり、そして600℃までのトラップ電荷の高い熱安定性を示し;図11Bは、335nmでの光吸収帯(F (2Mg)−中心)の温度依存性を示すグラフであり、そして600℃までのトラップ電荷の高い熱安定性を示し;図11Cは、435nmでの光吸収帯(F 2+(2Mg)−中心)の温度依存性を示すグラフであり、そして600℃までのトラップ電荷の高い熱安定性を示し;図11Dは、620nmでの光吸収帯(F 3+(2Mg)−中心)の温度依存性を示すグラフであり、そして600℃までのトラップ電荷の高い熱安定性を示す。FIG. 11A is a graph showing the temperature dependence of the light absorption band (F + -center) at 255 nm and shows high thermal stability of trapped charges up to 600 ° C .; FIG. 11B shows light absorption at 335 nm FIG. 11C is a graph showing the temperature dependence of the band (F 2 + (2Mg) −center) and shows high thermal stability of trapped charges up to 600 ° C .; FIG. 11C shows the light absorption band (F 2 2+ at 435 nm). FIG. 11D shows the temperature dependence of (2Mg) -center) and shows high thermal stability of trapped charges up to 600 ° C .; FIG. 11D shows the light absorption band (F 2 3+ (2Mg) -center at 620 nm ) And shows a high thermal stability of trapped charges up to 600 ° C. 「書き込み」および「読み取り」操作中のMg不純物ドープしたAl結晶における電子プロセスを示す、帯の図である。FIG. 3 is a band diagram showing the electronic process in Mg impurity doped Al 2 O 3 crystals during “write” and “read” operations. 635nmの赤色レーザー照射時間の関数として書き込まれたビットの蛍光振幅の依存性を説明し、多重読み出しサイクル中のデータの安定性と高出力焦点赤色レーザーでビットを消去する可能性との両方を示す。Explains the dependence of the fluorescence amplitude of the written bit as a function of the 635 nm red laser exposure time and demonstrates both the stability of the data during multiple readout cycles and the possibility of erasing the bit with a high power focused red laser . Al:C,Mg媒体の書き込み状態に特徴的な335および620nm帯と媒体の元の状態または消去状態に特徴的な435nm光吸収帯との間の逆フォトクロミック変換を用いる光学消去操作を説明する。フォトクロミック変換を、光パラメトリック発振器の高ピーク出力の赤色(620nm)レーザー光を用いて多光子吸収の条件下で行った。An optical erase operation using inverse photochromic conversion between the 335 and 620 nm bands characteristic of the writing state of the Al 2 O 3 : C, Mg medium and the 435 nm light absorption band characteristic of the original state or erased state of the medium. explain. Photochromic conversion was performed under the conditions of multiphoton absorption using red (620 nm) laser light with high peak output of an optical parametric oscillator. Al結晶のXYスキャン中の蛍光画像を測定することによる多重レベル1ビット記録を示すグラフであり、ここでは、10ビットを、異なる数の60ps「書き込み」レーザーパルスで結晶のボリュームに書き込んだ。FIG. 6 is a graph showing multi-level 1-bit recording by measuring fluorescence images during an XY scan of an Al 2 O 3 crystal, where 10 bits are written into the crystal volume with different numbers of 60 ps “write” laser pulses. It is. 「書き込み」レーザーパルスの数の関数としてのビットの変調深さの依存性を示すグラフであり、そして多重レベル1ビット記録を示す。FIG. 5 is a graph showing the dependence of the modulation depth of a bit as a function of the number of “written” laser pulses and shows a multi-level 1-bit record. CWの405nmレーザーダイオードを用いて5μm増分で結晶媒体のXY平面に書き込みそして共焦点検出機構および440nmのCWレーザーダイオードを用いて読み取った3×3ビットのマトリクスの蛍光画像である。FIG. 5 is a 3 × 3 bit matrix fluorescence image written to the XY plane of the crystalline media using CW 405 nm laser diodes in 5 μm increments and read using a confocal detection mechanism and a 440 nm CW laser diode. 1μm増分で結晶のXY平面に100×100ビットを書き込んだ後の蛍光コントラストで得られた500×500ピクセル画像であり、ここでは、ビットを、青色の411nmレーザーダイオードのパルスで書き込みそして440nmレーザーダイオードで読み取った。読み出しを、タイプ1または「負」のモードの操作で行い、これは、F 2+(2Mg)中心の520nm蛍光発光を利用する。500 × 500 pixel image obtained with fluorescence contrast after writing 100 × 100 bits in the XY plane of the crystal in 1 μm increments, where the bits are written with a pulse of blue 411 nm laser diode and 440 nm laser diode I read it. Reading is done in type 1 or “negative” mode operation, which utilizes F 2 2+ (2Mg) centered 520 nm fluorescence. 結晶のXスキャン中の蛍光コントラストで得られたビットプロファイルであり、1ビット当たり15nJおよび1μm増分ステップで書き込んだビットの空間的分解能を示す。Bit profile obtained with fluorescence contrast during X-scan of the crystal, showing the spatial resolution of bits written in 15 nJ and 1 μm increments per bit. 1μm増分で結晶のXY平面に100×60ビットを書き込んだ後の蛍光コントラストで得られた500×300ピクセル画像である。ビットを、青色の473nmレーザーのパルスで書き込みそして633nmCWレーザーで読み取った。読み出しを、タイプ2または「正」のモードの操作を用いて行い、これは、F2+(2Mg)中心の620nm吸収帯および750nm蛍光発光を利用する。It is a 500 * 300 pixel image obtained by fluorescence contrast after writing 100 * 60 bit on the XY plane of a crystal | crystallization by 1 micrometer increment. The bits were written with a blue 473 nm laser pulse and read with a 633 nm CW laser. The readout is performed using type 2 or “positive” mode operation, which utilizes a 620 nm absorption band and 750 nm fluorescence emission centered on F2 + (2Mg). ビットを、横方向に2μmおよび軸方向に7μmの増分で結晶のボリュームに書き込んだ後の結晶のXZ平面における蛍光コントラストで得られた5層のビットの画像である。ビット画像を、青色の473nmレーザーのパルスで書き込み、そして633nmのCWレーザーで読み取った。そしてこれは、結晶のボリュームにおける多重層においてデータを書き込みそして読み取る可能性を示し、好ましくは「正」のモードの読み出し操作であり、これは、F 3+(2Mg)中心の620nm吸収帯および750nm蛍光発光を利用する。5 is an image of a 5 layer bit obtained with fluorescence contrast in the XZ plane of the crystal after writing the bit into the crystal volume in 2 μm lateral and 7 μm axial increments. Bit images were written with a blue 473 nm laser pulse and read with a 633 nm CW laser. And this shows the possibility of writing and reading data in multiple layers in the crystal volume, preferably a “positive” mode read operation, which consists of a F 2 3+ (2Mg) centered 620 nm absorption band and 750 nm. Utilizes fluorescence. Al:C,Mg結晶のボリュームに書き込みそして読み取ったデータビットについての45dBに等しい搬送波対雑音比(CNR)を示す。出力スペクトルを、変調した405nmレーザーダイオードで500ビットを書き込みそして633nmのCWレーザーで読み取った後の波形のFFTによって得た。データを、レーザーエンコーダを装着した空気スピンドル上で回転する結晶媒体を有するダイナミックテスターを利用して得た。タイプ2または「正」のモードの読み取り操作を用いた。A carrier-to-noise ratio (CNR) equal to 45 dB for a data bit written to and read from a volume of Al 2 O 3 : C, Mg crystal is shown. The output spectrum was obtained by FFT of the waveform after writing 500 bits with a modulated 405 nm laser diode and reading with a 633 nm CW laser. Data was obtained utilizing a dynamic tester with a crystal medium rotating on an air spindle equipped with a laser encoder. A type 2 or "positive" mode read operation was used. Al:C,Mg結晶の光学特性の異方性を示し、そして435nm帯についての吸収の係数の角度依存性を示す:(a)結晶の光学c軸が偏光光伝搬の方向に垂直に回転する場合、および(b)結晶の光学c軸が偏光光伝搬の方向に平行である場合。Shows anisotropy of the optical properties of Al 2 O 3 : C, Mg crystals and shows the angular dependence of the absorption coefficient for the 435 nm band: And (b) the crystal's optical c-axis is parallel to the direction of polarization light propagation. 図24Aは、ディスクの平面に垂直でありそしてレーザー光伝搬の方向に平行である光学c軸を有する異方性単結晶を用いる、書き込み、読み取り、および消去操作の好適な態様の1つを示す。この態様は、回転ディスクの角度位置における書き込み、読み取り、および消去効率における依存性を除外する。図24Bは、回転ディスクの平面に平行でありそしてレーザー光伝搬の方向に垂直である光学c軸を有する異方性単結晶を用いる、書き込みおよび読み取り操作の他の好適な態様を示す。レーザー光の偏光方向は、ディスクの回転と同期に回転し、そしてすべての場合に結晶の光学c軸に平行である。この態様は、回転ディスクの角度位置における書き込み、読み取り、および消去効率における依存性を除外し、そして同時に、書き込み、読み取り、および消去操作のより高い効率についてのより高い光学吸収を提供する。FIG. 24A shows one preferred embodiment of a write, read, and erase operation using an anisotropic single crystal having an optical c-axis that is perpendicular to the plane of the disk and parallel to the direction of laser light propagation. . This aspect eliminates dependencies on writing, reading and erasing efficiency at the angular position of the rotating disk. FIG. 24B shows another preferred embodiment of writing and reading operations using an anisotropic single crystal having an optical c-axis that is parallel to the plane of the rotating disk and perpendicular to the direction of laser light propagation. The polarization direction of the laser light rotates in synchronism with the rotation of the disk and in all cases is parallel to the optical c-axis of the crystal. This aspect eliminates dependencies on write, read and erase efficiency at the angular position of the rotating disk and at the same time provides higher optical absorption for higher efficiency of write, read and erase operations.

Claims (127)

データ記憶媒体に情報を書き込む方法であって、
Alを含むルミネセンスデータ記憶媒体を提供する工程;および
該情報を光源で該ルミネセンスデータ記憶媒体に書き込む工程
を含む、方法。
A method of writing information to a data storage medium,
Providing a luminescent data storage medium comprising Al 2 O 3; a and said information source comprises the step of writing to said luminescent data storage medium, the method.
前記情報が、2光子吸収技法および光イオン化技法を用いて、前記ルミネセンスデータ記憶媒体における色中心から電子を除去し、そして該ルミネセンスデータ記憶媒体において該電子を熱安定なトラップに移動させることによって、ルミネセンスデータ記憶媒体に書き込まれる、請求項1に記載の方法。   The information uses two-photon absorption techniques and photoionization techniques to remove electrons from the color center in the luminescent data storage medium and to move the electrons to a thermally stable trap in the luminescent data storage medium The method of claim 1, wherein the method is written to the luminescence data storage medium. 前記2光子吸収技法が、連続的2段階2光子吸収技法である、請求項2に記載の方法。   The method of claim 2, wherein the two-photon absorption technique is a continuous two-stage two-photon absorption technique. 前記2光子吸収技法が、中間レベルのない同時直接2光子吸収技法である、請求項2に記載の方法。   The method of claim 2, wherein the two-photon absorption technique is a simultaneous direct two-photon absorption technique without intermediate levels. 前記ルミネセンスデータ記憶媒体が、該データ記憶媒体内部の異なる深さで1より多くの層に書き込まれる、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the luminescent data storage medium is written to more than one layer at different depths within the data storage medium. 前記光源が、光学読み取り/書き込みヘッドからレーザービームを発生し、そして該光学読み取り/書き込みヘッドが少なくとも10ミクロンの回折限界深さを有する球面収差補償を組み込む、請求項5に記載の方法。   6. The method of claim 5, wherein the light source generates a laser beam from an optical read / write head, and the optical read / write head incorporates spherical aberration compensation having a diffraction limited depth of at least 10 microns. 前記ルミネセンスデータ記憶媒体が、異なる変調深さで書き込まれ、それによって多重レベルデータ記憶を達成する、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the luminescent data storage medium is written with different modulation depths, thereby achieving multi-level data storage. 前記ルミネセンスデータ記憶媒体が、
Alを含む基礎材料;
Mgを含む第1のドーパント;および
炭素を含む第2のドーパント
を含み、該ルミネセンスデータ記憶媒体が、多数の少なくとも1つのタイプの酸素空格子点欠損を含む、請求項1に記載の方法。
The luminescence data storage medium is
A basic material comprising Al 2 O 3 ;
The method of claim 1, comprising: a first dopant comprising Mg; and a second dopant comprising carbon, wherein the luminescence data storage medium comprises a number of at least one type of oxygen vacancy defects.
前記ルミネセンスデータ記憶媒体が、435±5nmの領域に吸収、520±5nmの領域に発光、および9±3nsの蛍光寿命を有する少なくとも1つの色中心を含む、請求項8に記載の方法。   9. The method of claim 8, wherein the luminescent data storage medium comprises at least one color center that absorbs in the region of 435 ± 5 nm, emits in the region of 520 ± 5 nm, and has a fluorescence lifetime of 9 ± 3 ns. 前記ルミネセンスデータ記憶媒体が、335±5nmの領域に吸収、750±5nmの領域に発光、および80±10nsの蛍光寿命を有する少なくとも1つの色中心を含む、請求項8に記載の方法。   9. The method of claim 8, wherein the luminescent data storage medium comprises at least one color center that absorbs in the region of 335 ± 5 nm, emits in the region of 750 ± 5 nm, and has a fluorescence lifetime of 80 ± 10 ns. 前記ルミネセンスデータ記憶媒体が、435±5nmの領域に吸収、520±5nmの領域に発光、および9±3nsの蛍光寿命を有する少なくとも1つの色中心、ならびに335±5nmの領域に吸収、750±5nmの領域に発光、および80±10nsの蛍光寿命を有する少なくとも1つの色中心を含む、請求項8に記載の方法。   The luminescence data storage medium absorbs in the region of 435 ± 5 nm, emits in the region of 520 ± 5 nm, and at least one color center having a fluorescence lifetime of 9 ± 3 ns, and absorbs in the region of 335 ± 5 nm, 750 ± 9. The method of claim 8, comprising at least one color center having an emission in the region of 5 nm and a fluorescence lifetime of 80 ± 10 ns. 前記ルミネセンスデータ記憶媒体が、少なくとも1%の蛍光振幅における変化に基づく書き込み時間について書き込まれる、請求項8に記載の方法。   The method of claim 8, wherein the luminescence data storage medium is written for a write time based on a change in fluorescence amplitude of at least 1%. 前記レーザービームが、370から490nmまでを含めた波長を有する、請求項8に記載の方法。   The method of claim 8, wherein the laser beam has a wavelength including from 370 to 490 nm. 前記光源が、390nmの波長を有するレーザービームを発する、請求項8に記載の方法。   The method of claim 8, wherein the light source emits a laser beam having a wavelength of 390 nm. 前記光源が、0.1psから1msの範囲の書き込み時間を有するレーザービームを発する、請求項8に記載の方法。   9. The method of claim 8, wherein the light source emits a laser beam having a writing time in the range of 0.1 ps to 1 ms. 前記光源が、10nsの書き込み時間を有するレーザービームを発する、請求項8に記載の方法。   The method of claim 8, wherein the light source emits a laser beam having a writing time of 10 ns. 前記ルミネセンスデータ記憶媒体の少なくとも一部が、単結晶Al材料である、請求項1に記載の方法。 The method of claim 1, wherein at least a portion of the luminescent data storage medium is a single crystal Al 2 O 3 material. 前記ルミネセンスデータ記憶媒体における所定の深さに前記光源を集束させる工程をさらに含む、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, further comprising focusing the light source to a predetermined depth in the luminescent data storage medium. 前記光源が、該光源に対して前記ルミネセンスデータ記憶媒体を移動させることによって集束される、請求項18に記載の方法。   The method of claim 18, wherein the light source is focused by moving the luminescent data storage medium relative to the light source. 前記レーザービームが、前記光源を含む光学ピックアップヘッドの位置を調節することによって前記ルミネセンスデータ記憶媒体上で集束される、請求項18に記載の方法。   The method of claim 18, wherein the laser beam is focused on the luminescent data storage medium by adjusting the position of an optical pickup head that includes the light source. 前記レーザービームを前記ルミネセンスデータ記憶媒体に書き込む前に、該ルミネセンスデータ記憶媒体を書き込み位置に移動させる工程をさらに含む、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, further comprising moving the luminescence data storage medium to a writing position prior to writing the laser beam to the luminescence data storage medium. 前記光源が、10W/cmより大きい出力密度を有するレーザービームを発する、請求項1に記載の方法。 The method of claim 1, wherein the light source emits a laser beam having a power density greater than 10 3 W / cm 2 . 前記光源が、少なくとも10W/cmの出力密度を有するレーザービームを発する、請求項1に記載の方法。 The method of claim 1, wherein the light source emits a laser beam having a power density of at least 10 5 W / cm 2 . データ記憶媒体上に記憶された情報を読み取る方法であって、
(a)光源でルミネセンスデータ記憶媒体を励起させて、該ルミネセンスデータ記憶媒体に蛍光光シグナルを発する工程であって、該ルミネセンスデータ記憶媒体がAlを含み、そして該光源が該ルミネセンスデータ記憶媒体の吸収帯の範囲の波長を有する読み取りレーザービームを発する、工程;および
(b)該ルミネセンスデータ記憶媒体から該レーザーで誘導された蛍光光シグナルを測定し、それによって該ルミネセンスデータ記憶媒体上に記憶された該情報を読み取る工程
を含む、方法。
A method for reading information stored on a data storage medium, comprising:
(A) exciting the luminescence data storage medium with a light source to emit a fluorescent light signal to the luminescence data storage medium, the luminescence data storage medium comprising Al 2 O 3 and the light source comprising: Emitting a reading laser beam having a wavelength in the range of the absorption band of the luminescence data storage medium; and (b) measuring a fluorescence light signal induced by the laser from the luminescence data storage medium, thereby Reading the information stored on the luminescent data storage medium.
前記工程(a)が、1光子吸収技法を用いて記憶中心の光イオン化を引き起こすことなく前記ルミネセンスデータ記憶媒体を励起して、該ルミネセンスデータ記憶媒体に蛍光光シグナルを発生させ、それによって該ルミネセンスデータ記憶媒体を非破壊的に読み取る工程を含む、請求項24に記載の方法。   Step (a) uses a one-photon absorption technique to excite the luminescent data storage medium without causing memory center photoionization, thereby generating a fluorescent light signal in the luminescent data storage medium, thereby 25. The method of claim 24, comprising non-destructively reading the luminescent data storage medium. 前記工程(a)が、同時2光子吸収技法を用いて記憶中心の光イオン化を引き起こすことなく前記ルミネセンスデータ記憶媒体を励起して、該ルミネセンスデータ記憶媒体に蛍光光シグナルを発生させ、それによって該ルミネセンスデータ記憶媒体を非破壊的に読み取る工程を含む、請求項24に記載の方法。   The step (a) excites the luminescent data storage medium without causing photoionization of the storage center using simultaneous two-photon absorption techniques to generate a fluorescent light signal in the luminescent data storage medium; 25. The method of claim 24, comprising non-destructively reading the luminescence data storage medium. 前記データ記憶媒体が、前記ルミネセンスデータ記憶媒体の吸収帯の波長よりも約2倍長い波長を有する前記光源からの光によって励起される、請求項26に記載の方法。   27. The method of claim 26, wherein the data storage medium is excited by light from the light source having a wavelength that is approximately twice as long as the wavelength of the absorption band of the luminescent data storage medium. 前記ルミネセンスデータ記憶媒体が、
Alを含む基礎材料;
マグネシウムを含む第1のドーパント;および
炭素を含む第2のドーパント
を含み、該ルミネセンスデータ記憶媒体が、多数の少なくとも1つのタイプの酸素空格子点欠損を含む、請求項24に記載の方法。
The luminescence data storage medium is
A basic material comprising Al 2 O 3 ;
25. The method of claim 24, comprising: a first dopant comprising magnesium; and a second dopant comprising carbon, wherein the luminescence data storage medium comprises a number of at least one type of oxygen vacancy defects.
前記ルミネセンスデータ記憶媒体が、435±5nmの領域に吸収、520±5nmの領域に発光、および9±3nsの蛍光寿命を有する少なくとも1つの色中心を含む、請求項28に記載の方法。   29. The method of claim 28, wherein the luminescent data storage medium comprises at least one color center that absorbs in the region of 435 ± 5 nm, emits in the region of 520 ± 5 nm, and has a fluorescence lifetime of 9 ± 3 ns. 前記ルミネセンスデータ記憶媒体が、335±5nmの領域に吸収、750±5nmの領域に発光、および80±10nsの寿命を有する少なくとも1つの色中心を含む、請求項28に記載の方法。   30. The method of claim 28, wherein the luminescent data storage medium comprises at least one color center having absorption in the region of 335 ± 5 nm, emission in the region of 750 ± 5 nm, and a lifetime of 80 ± 10 ns. 前記読み取りレーザービームが、335±10nmに中心があるAl:C,Mgの吸収帯内の波長を有し、そして前記蛍光光シグナルが、620から880nmまでを含めた波長範囲を有する発光帯を有し、そして750±10nmに中心がある、請求項28に記載の方法。 The read laser beam has a wavelength in the absorption band of Al 2 O 3 : C, Mg centered at 335 ± 10 nm, and the fluorescent signal emits light having a wavelength range including from 620 to 880 nm 29. The method of claim 28, having a band and centered at 750 ± 10 nm. 前記蛍光光シグナルが、Al:C,Mgの吸収帯内の波長の光を用いて励起されそして255±10nmに中心があり、そして該蛍光光シグナルが、620nmから880nmまでを含めた波長範囲を有する発光帯を有し、そして750±10nmに中心がある、請求項28に記載の方法。 The fluorescent light signal was excited with light having a wavelength in the Al 2 O 3 : C, Mg absorption band and centered at 255 ± 10 nm, and the fluorescent light signal included from 620 nm to 880 nm 29. The method of claim 28, having an emission band having a wavelength range and centered at 750 ± 10 nm. 前記ルミネセンスデータ記憶媒体が、435±5nmの領域に吸収、520±5nmの領域に発光、および9±3nsの蛍光寿命を有する少なくとも1つの色中心、ならびに335±5nmの領域に吸収、750±5nmの領域に発光、および80±10nsの寿命を有する少なくとも1つの色中心を含む、請求項28に記載の方法。   The luminescence data storage medium absorbs in the region of 435 ± 5 nm, emits in the region of 520 ± 5 nm, and at least one color center having a fluorescence lifetime of 9 ± 3 ns, and absorbs in the region of 335 ± 5 nm, 750 ± 29. The method of claim 28, comprising at least one color center having an emission in the 5 nm region and a lifetime of 80 ± 10 ns. 前記蛍光光シグナルが、470から580nmまでを含めた波長を有し、そして520±10nmに中心がある、請求項28に記載の方法。   29. The method of claim 28, wherein the fluorescent light signal has a wavelength including from 470 to 580 nm and is centered at 520 ± 10 nm. 前記読み取りレーザービームが、前記ルミネセンスデータ記憶媒体を1nsから10μsの時間にわたり照射する、請求項28に記載の方法。   30. The method of claim 28, wherein the reading laser beam illuminates the luminescent data storage medium for a time of 1 ns to 10 [mu] s. 前記読み取りレーザービームが、前記ルミネセンスデータ記憶媒体を約100ns間照射する、請求項28に記載の方法。   30. The method of claim 28, wherein the reading laser beam illuminates the luminescence data storage medium for about 100 ns. 前記レーザービームが、0.1psから1sまでを含めた読み取り時間を有する、請求項28に記載の方法。   29. The method of claim 28, wherein the laser beam has a read time that includes from 0.1 ps to 1 s. 前記レーザービームが、10nsの読み取り時間を有する、請求項28に記載の方法。   30. The method of claim 28, wherein the laser beam has a read time of 10 ns. 前記工程(a)の前に、
書き込みレーザービームで前記ルミネセンスデータ記憶媒体に書き込む工程
をさらに含む、請求項28に記載の方法。
Before the step (a),
30. The method of claim 28, further comprising writing the luminescence data storage medium with a writing laser beam.
前記読み取りおよび書き込みレーザービームが、380から490nmまでを含めた波長を有する、請求項28に記載の方法。   30. The method of claim 28, wherein the read and write laser beams have a wavelength including from 380 to 490 nm. 前記読み取りレーザービームが、前記書き込みレーザービームよりも長い波長を有し、そして該読み取りレーザービームが、約430から490nmまでを含めた波長を有する、請求項40に記載の方法。   41. The method of claim 40, wherein the read laser beam has a longer wavelength than the write laser beam, and the read laser beam has a wavelength including from about 430 to 490 nm. 前記ルミネセンスデータ記憶媒体からの情報が、該ルミネセンスデータ記憶媒体内部の異なる深さの1より多くの層から読み取られる、請求項24に記載の方法。   25. The method of claim 24, wherein information from the luminescent data storage medium is read from more than one layer at different depths within the luminescent data storage medium. 前記工程(b)が、前記蛍光シグナルを共焦点検出技法を用いて検出する工程を含む、請求項42に記載の方法。   43. The method of claim 42, wherein step (b) comprises detecting the fluorescent signal using a confocal detection technique. 前記読み取りレーザービームが、読み取り/書き込みヘッドに配置された前記光源によって発生され、そして該光学読み取り/書き込みヘッドが、少なくとも10ミクロンの深さでの回折限界スポットを可能にする球面収差補償を組み込む、請求項42に記載の方法。   The read laser beam is generated by the light source located in a read / write head, and the optical read / write head incorporates spherical aberration compensation that enables a diffraction limited spot at a depth of at least 10 microns; 43. The method of claim 42. 前記工程(a)の前に、
書き込みレーザービームで前記ルミネセンスデータ記憶媒体に書き込む工程
をさらに含む、請求項24に記載の方法。
Before the step (a),
25. The method of claim 24, further comprising writing to the luminescence data storage medium with a writing laser beam.
前記読み取りおよび書き込みレーザービームが同じ波長を有する、請求項45に記載の方法。   46. The method of claim 45, wherein the read and write laser beams have the same wavelength. 前記読み取りおよび書き込みレーザービームが異なる波長を有する、請求項45に記載の方法。   46. The method of claim 45, wherein the read and write laser beams have different wavelengths. 前記読み取りおよび書き込みレーザービームが、レンズを介してそれぞれ集束され、そして該レンズが、前記ルミネセンスデータ記憶媒体に情報を書き込みそして該ルミネセンスデータ記憶媒体から情報を読み取るために用いられる、請求項45に記載の方法。   46. The read and write laser beams are each focused through a lens, and the lens is used to write information to and read information from the luminescence data storage medium. The method described in 1. 前記読み取りレーザービームが前記ルミネセンスデータ記憶媒体を励起する前に、該ルミネセンスデータ記憶媒体を前記光源に対しておよび読み取り位置に移動させる工程をさらに含む、請求項24に記載の方法。   25. The method of claim 24, further comprising moving the luminescence data storage medium relative to the light source and to a reading position before the reading laser beam excites the luminescence data storage medium. 前記読み取りレーザービームを前記ルミネセンスデータ記憶媒体における所定の深さに集束させる工程をさらに含む、請求項24に記載の方法。   25. The method of claim 24, further comprising focusing the read laser beam to a predetermined depth in the luminescent data storage medium. 前記読み取りレーザービームが、前記ルミネセンスデータ記憶媒体を該読み取りレーザービームに対して移動させることによって集束される、請求項50に記載の方法。   51. The method of claim 50, wherein the read laser beam is focused by moving the luminescent data storage medium relative to the read laser beam. 前記読み取りレーザービームが、前記光源を含む光学ピックアップヘッドの位置を調節することによって集束される、請求項50に記載の方法。   51. The method of claim 50, wherein the read laser beam is focused by adjusting the position of an optical pickup head that includes the light source. 前記ルミネセンスデータ記憶媒体が、読み取りレーザービームパルス長に等しい読み取り時間で読み取られ、そして該ルミネセンスデータ記憶媒体が、静止データ記憶媒体である、請求項24に記載の方法。   25. The method of claim 24, wherein the luminescent data storage medium is read with a read time equal to a read laser beam pulse length, and the luminescent data storage medium is a stationary data storage medium. 前記ルミネセンスデータ記憶媒体が、該ルミネセンスデータ記憶媒体の速度に対する読み取りスポットサイズの比に等しい読み取り時間で読み取られ、そして該ルミネセンスデータ記憶媒体が可動データ記憶媒体である、請求項24に記載の方法。   25. The luminescent data storage medium is read at a read time equal to a ratio of the read spot size to the speed of the luminescent data storage medium, and the luminescent data storage medium is a movable data storage medium. the method of. 前記読み取りレーザービームが、約10W/cmよりも小さい出力密度を有する、請求項24に記載の方法。 25. The method of claim 24, wherein the read laser beam has a power density less than about 10 < 3 > W / cm < 2 >. データ記憶媒体に記憶された情報を消去する方法であって、
(a)Alを含むルミネセンスデータ記憶媒体を提供する工程であって、該ルミネセンスデータ記憶媒体が、そこに記憶された情報を有する、工程;および
(b)該ルミネセンスデータ記憶媒体を光源で照射して、該情報を消去する工程
を含む、方法。
A method for erasing information stored in a data storage medium, comprising:
(A) providing a luminescence data storage medium comprising Al 2 O 3 , wherein the luminescence data storage medium has information stored therein; and (b) the luminescence data storage. Irradiating the medium with a light source to erase the information.
前記情報が、2光子吸収技法を用いて前記データ記憶媒体から消去される、請求項56に記載の方法。   57. The method of claim 56, wherein the information is erased from the data storage medium using a two-photon absorption technique. 前記ルミネセンスデータ記憶媒体が、
Alを含む基礎材料;
マグネシウムを含む第1のドーパント;および
炭素を含む第2のドーパント
を含み、該ルミネセンスデータ記憶媒体が、多数の少なくとも1つのタイプの酸素空格子点欠損を含む、請求項56に記載の方法。
The luminescence data storage medium is
A basic material comprising Al 2 O 3 ;
57. The method of claim 56, comprising: a first dopant comprising magnesium; and a second dopant comprising carbon, wherein the luminescence data storage medium comprises a number of at least one type of oxygen vacancy defects.
前記ルミネセンスデータ記憶媒体が、435±5nmの領域に吸収、520±5nmの領域に発光、および9±3nsの蛍光寿命を有する少なくとも1つの色中心、ならびに335±5nmの領域に吸収、750±5nmの領域に発光、および80±10nsの寿命を有する少なくとも1つの色中心を含む、請求項58に記載の方法。   The luminescence data storage medium absorbs in the region of 435 ± 5 nm, emits in the region of 520 ± 5 nm, and at least one color center having a fluorescence lifetime of 9 ± 3 ns, and absorbs in the region of 335 ± 5 nm, 750 ± 59. The method of claim 58, comprising at least one color center having an emission in the 5 nm region and a lifetime of 80 ± 10 ns. 前記工程(b)が、335±30nmの波長および10W/cmでの2光子吸収の閾値以上の出力密度を有する前記光源による前記ルミネセンスデータ記憶媒体の照射を含む、請求項59に記載の方法。 60. The step (b) comprises illuminating the luminescent data storage medium with the light source having a power density greater than or equal to a threshold of two photon absorption at a wavelength of 335 ± 30 nm and 10 3 W / cm 2. The method described. 前記照射が、335±30nmの波長を有する前記光源で完了され、そして前記ルミネセンスデータ記憶媒体を205±30nmに中心がある波長を有するUV光で照射する前に行われる、請求項60に記載の方法。   61. The irradiation is completed with the light source having a wavelength of 335 ± 30 nm and is performed prior to irradiating the luminescent data storage medium with UV light having a wavelength centered at 205 ± 30 nm. the method of. 前記UV光がコヒーレントである、請求項61に記載の方法。   62. The method of claim 61, wherein the UV light is coherent. 前記UV光が非コヒーレントである、請求項61に記載の方法。   62. The method of claim 61, wherein the UV light is non-coherent. Alを含むルミネセンスデータ記憶媒体;および
該ルミネセンスデータ記憶媒体に情報を書き込むための光源
を含む、装置。
An apparatus comprising: a luminescent data storage medium comprising Al 2 O 3 ; and a light source for writing information to the luminescent data storage medium.
Alを含むルミネセンスデータ記憶媒体;
情報が該ルミネセンスデータ記憶媒体上に記憶される場合に、該ルミネセンスデータ記憶媒体を励起させて、該ルミネセンスデータ記憶媒体に蛍光光シグナルを発生させるための第1光源;および
該発生した蛍光光シグナルを測定するための測定手段
を含む、装置。
A luminescence data storage medium comprising Al 2 O 3 ;
A first light source for exciting the luminescence data storage medium to generate a fluorescent light signal in the luminescence data storage medium when information is stored on the luminescence data storage medium; and the generated An apparatus comprising measuring means for measuring a fluorescent light signal.
前記ルミネセンスデータ記憶媒体に情報を書き込むための第2光源をさらに含む、請求項65に記載の装置。   66. The apparatus of claim 65, further comprising a second light source for writing information to the luminescence data storage medium. 前記第1および第2光源が同じである、請求項66に記載の装置。   68. The apparatus of claim 66, wherein the first and second light sources are the same. 前記測定手段が、共焦点検出手段を含む、請求項67に記載の装置。   68. The apparatus of claim 67, wherein the measurement means includes confocal detection means. 前記第1光源および前記第2光源を含む光学ヘッドをさらに含む、請求項66に記載の装置。   68. The apparatus of claim 66, further comprising an optical head including the first light source and the second light source. Alを含むルミネセンスデータ記憶媒体;
該ルミネセンスデータ記憶媒体に情報を書き込むための光源;および
回折限界スポットを少なくとも10ミクロンの深さ範囲に光学的に存在させるための、該光源の適応球面収差補償のための補償手段
を含む、装置。
A luminescence data storage medium comprising Al 2 O 3 ;
A light source for writing information to the luminescence data storage medium; and compensation means for adaptive spherical aberration compensation of the light source for optically presenting a diffraction limited spot in a depth range of at least 10 microns. apparatus.
Alを含むルミネセンスデータ記憶媒体;および
該ルミネセンスデータ記憶媒体における色中心からの電子の除去を生じそして該電子を該ルミネセンスデータ記憶媒体における熱安定トラップに移動させる2光子吸収技法および光イオン化技法を用いて、該ルミネセンスデータ記憶媒体に情報を書き込むための書き込み手段であって、該書き込み手段が第1光源を含む、手段
を含む、装置。
Luminescent data storage medium containing al 2 O 3; and the luminescent data generation of an electron removal from color centers in the storage medium and the two-photon absorption technique for moving the electronic thermal stability traps in the luminescent data storage medium And writing means for writing information to the luminescent data storage medium using photoionization techniques, the writing means comprising a first light source.
前記ルミネセンスデータ記憶媒体の吸収帯の範囲の波長を有する光源で該ルミネセンスデータ記憶媒体を励起して、該ルミネセンスデータ記憶媒体の色中心の光イオン化なしに該ルミネセンスデータ記憶媒体に1光子吸収による蛍光光シグナルを発生させるための読み取り手段であって、該読み取り手段が第2光源を含む、手段;および
該発生した蛍光光シグナルを測定するための手段
をさらに含む、請求項71に記載の装置。
Excitation of the luminescence data storage medium with a light source having a wavelength in the range of the absorption band of the luminescence data storage medium to the luminescence data storage medium without photoionization of the color center of the luminescence data storage medium. 72. Reading means for generating a fluorescent light signal due to photon absorption, the reading means further comprising a second light source; and means for measuring the generated fluorescent light signal. The device described.
前記第1および第2光源が同じである、請求項72に記載の装置。   The apparatus of claim 72, wherein the first and second light sources are the same. データ記憶媒体上に記憶された情報を消去する方法であって、
(a)Alを含むルミネセンス記憶媒体を提供する工程であって、該ルミネセンスデータ記憶媒体が、そこに記憶された該情報を有する、工程;および
(b)約600から700℃の温度で該ルミネセンスデータ記憶媒体を熱アニールして、該ルミネセンスデータ記憶媒体上の該情報を消去する工程
を含む、方法。
A method for erasing information stored on a data storage medium, comprising:
(A) providing a luminescent storage medium comprising Al 2 O 3 , wherein the luminescent data storage medium has the information stored therein; and (b) about 600 to 700 ° C. Thermally annealing the luminescence data storage medium at a temperature of erasing the information on the luminescence data storage medium.
前記工程(b)が、約650℃の温度で前記データ記憶媒体をアニールする工程を含む、請求項74に記載の方法。   75. The method of claim 74, wherein step (b) comprises annealing the data storage medium at a temperature of about 650 degrees Celsius. 前記ルミネセンスデータ記憶媒体を室温まで冷却する工程をさらに含む、請求項74に記載の方法。   75. The method of claim 74, further comprising cooling the luminescent data storage medium to room temperature. 前記ルミネセンスデータ記憶媒体の少なくとも一部が、単結晶Al材料である、請求項74に記載の方法。 At least a portion of said luminescent data storage medium is a single crystal Al 2 O 3 material, The method of claim 74. 前記ルミネセンスデータ記憶媒体が、
Alを含む基礎材料;
マグネシウムを含む第1のドーパント;および
炭素を含む第2のドーパント
を含み、該ルミネセンスデータ記憶媒体が、多数の少なくとも1つのタイプの酸素空格子点欠損を含む、請求項74に記載の方法。
The luminescence data storage medium is
A basic material comprising Al 2 O 3 ;
75. The method of claim 74, comprising: a first dopant comprising magnesium; and a second dopant comprising carbon, wherein the luminescence data storage medium comprises a number of at least one type of oxygen vacancy defects.
前記ルミネセンスデータ記憶媒体が、前記工程(b)の前に、335および630nm光吸収帯および750nm蛍光発光帯を有する色中心を含み、そして335および630nm光吸収帯を有する該色中心が、該工程(b)によって、435nm光吸収帯および520nm蛍光発光帯を有する色中心に変換される、請求項78に記載の方法。   The luminescence data storage medium includes color centers having 335 and 630 nm light absorption bands and 750 nm fluorescence emission band, and the color centers having 335 and 630 nm light absorption bands before the step (b) 79. The method of claim 78, wherein step (b) converts to a color center having a 435 nm light absorption band and a 520 nm fluorescence emission band. 前記Al:C,Mg結晶が、前記情報が前記ルミネセンスデータ記憶媒体上に記憶される前に、緑色着色を有しそして初期濃度のF 2+(2Mg)−中心を有し、そして前記工程(b)が、該緑色着色および該初期濃度のF 2+(2Mg)−中心を回復する工程を含む、請求項78に記載の方法。 The Al 2 O 3 : C, Mg crystal has a green coloration and has an initial concentration of F 2 2+ (2Mg) − centers before the information is stored on the luminescent data storage medium; and said step (b), F 2 2+ of green-colored and initial concentration (2Mg) - center comprising the step of recovering the method of claim 78. データ記憶媒体上に記憶された情報を消去する装置であって、
Alを含むルミネセンスデータ記憶媒体であって、該ルミネセンスデータ記憶媒体がそこに記憶された該情報を有する、媒体;および
約600から700℃の温度で該ルミネセンスデータ記憶媒体を熱アニールして、該ルミネセンスデータ記憶媒体上の該情報を消去するためのアニール手段
を含む、装置。
An apparatus for erasing information stored on a data storage medium,
A luminescence data storage medium comprising Al 2 O 3 , wherein the luminescence data storage medium has the information stored thereon; and the luminescence data storage medium at a temperature of about 600 to 700 ° C. An apparatus comprising annealing means for thermally annealing to erase the information on the luminescent data storage medium.
前記熱アニールされたデータ記憶媒体を室温まで冷却するための冷却手段をさらに含む、請求項81に記載の装置。   The apparatus of claim 81, further comprising cooling means for cooling the thermally annealed data storage medium to room temperature. 前記ルミネセンスデータ記憶媒体の少なくとも一部が、単結晶Al材料である、請求項81に記載の装置。 At least a portion of said luminescent data storage medium is a single crystal Al 2 O 3 material, apparatus according to claim 81. 前記ルミネセンスデータ記憶媒体が、
Alを含む基礎材料;
マグネシウムを含む第1のドーパント;および
炭素を含む第2のドーパント
を含み、該ルミネセンスデータ記憶媒体が、多数の少なくとも1つのタイプの酸素空格子点欠損を含む、請求項81に記載の装置。
The luminescence data storage medium is
A basic material comprising Al 2 O 3 ;
82. The apparatus of claim 81, comprising: a first dopant comprising magnesium; and a second dopant comprising carbon, wherein the luminescence data storage medium comprises a number of at least one type of oxygen vacancy defects.
前記情報が該ルミネセンスデータ記憶媒体上に記憶される間、前記ルミネセンスデータ記憶媒体が、335および630nm光吸収帯および750nm蛍光発光帯を有する色中心を含み、そして335および630nm光吸収帯を有する該色中心が、約650℃の温度で該ルミネセンスデータ記憶媒体をアニールすることによって、435nm光吸収帯および520nm蛍光発光帯を有する色中心に変換される、請求項84に記載の装置。   While the information is stored on the luminescence data storage medium, the luminescence data storage medium includes color centers having 335 and 630 nm light absorption bands and 750 nm fluorescence emission bands, and 335 and 630 nm light absorption bands. 85. The apparatus of claim 84, wherein the color center having is converted to a color center having a 435 nm light absorption band and a 520 nm fluorescent emission band by annealing the luminescent data storage medium at a temperature of about 650 <0> C. 前記Al:C,Mg結晶が、前記情報が前記ルミネセンスデータ記憶媒体上に記憶される前に、緑色着色を有しそして初期濃度のF 2+(2Mg)−中心を有し、そして前記アニール手段が、該緑色着色および該初期濃度のF 2+(2Mg)−中心を回復し得る、請求項85に記載の装置。 The Al 2 O 3 : C, Mg crystal has a green coloration and has an initial concentration of F 2 2+ (2Mg) − centers before the information is stored on the luminescent data storage medium; and said annealing means, F 2 2+ of green-colored and initial concentration (2Mg) - mainly be recovered, according to claim 85. データ記憶媒体上に記憶された情報を読み取る方法であって、
(a)ルミネセンスデータ記憶媒体を光源で励起させて、該ルミネセンスデータ記憶媒体に蛍光光シグナルを発生させる工程であって、該ルミネセンスデータ記憶媒体がAlを含み、そして該光源が、該ルミネセンスデータ記憶媒体の吸収帯の範囲の波長を有する読み取りレーザービームを発する、工程;および
(b)該ルミネセンスデータ記憶媒体からの該レーザー誘導された蛍光光シグナルを測定して、該ルミネセンスデータ記憶媒体上に記憶された該情報を読み取る工程であって、該ルミネセンスデータ記憶媒体が、
Alを含む基礎材料;
マグネシウムを含む第1のドーパント;および
炭素を含む第2のドーパントを含み、該ルミネセンスデータ記憶媒体が、多数の少なくとも1つのタイプの酸素空格子点欠損を含み、そして該ルミネセンスデータ記憶媒体が、250±5nm、335±5nm、および620±10nmの領域に吸収帯、750±10nmの領域に発光、および80±10nsの寿命を有する少なくとも1つの色中心を含む、工程
を含む、方法。
A method for reading information stored on a data storage medium, comprising:
(A) exciting the luminescence data storage medium with a light source to generate a fluorescent light signal in the luminescence data storage medium, the luminescence data storage medium comprising Al 2 O 3 and the light source Emitting a read laser beam having a wavelength in the range of the absorption band of the luminescent data storage medium; and (b) measuring the laser-induced fluorescent light signal from the luminescent data storage medium; Reading the information stored on the luminescence data storage medium, the luminescence data storage medium comprising:
A basic material comprising Al 2 O 3 ;
A first dopant comprising magnesium; and a second dopant comprising carbon, the luminescence data storage medium comprising a number of at least one type of oxygen vacancy defects, and the luminescence data storage medium , Including at least one color center having an absorption band in the region of 250 ± 5 nm, 335 ± 5 nm, and 620 ± 10 nm, emission in the region of 750 ± 10 nm, and a lifetime of 80 ± 10 ns.
前記工程(a)が、前記記憶中心の光イオン化を生じることなく1光子吸収技法を用いて前記ルミネセンスデータ記憶媒体を励起させて、該ルミネセンスデータ記憶媒体に蛍光光シグナルを発生させ、そして該ルミネセンスデータ記憶媒体を非破壊的に読み取る工程を含む、請求項87に記載の方法。   The step (a) excites the luminescent data storage medium using a one-photon absorption technique without causing photoionization of the memory center to generate a fluorescent light signal in the luminescent data storage medium; and 90. The method of claim 87, comprising non-destructively reading the luminescent data storage medium. 前記工程(a)が、前記記憶中心の光イオン化を生じることなく同時2光子吸収技法を用いて前記ルミネセンスデータ記憶媒体を励起させて、該ルミネセンスデータ記憶媒体に蛍光光シグナルを発生させそして該ルミネセンスデータ記憶媒体を非破壊的に読み取る工程を含む、請求項87に記載の方法。   The step (a) excites the luminescent data storage medium using a simultaneous two-photon absorption technique without causing photoionization of the storage center to generate a fluorescent light signal in the luminescent data storage medium; 90. The method of claim 87, comprising non-destructively reading the luminescent data storage medium. 前記データ記憶媒体が、該ルミネセンスデータ記憶媒体の前記吸収帯の波長よりも約2倍長い波長を有する前記光源からの光によって励起される、請求項89に記載の方法。   90. The method of claim 89, wherein the data storage medium is excited by light from the light source having a wavelength that is approximately twice as long as the wavelength of the absorption band of the luminescent data storage medium. 前記読み取りレーザービームが、620±10nmに中心があるAl:C,Mgの吸収帯内の波長を有し、前記蛍光光シグナルが、620から880nmまでを含めた波長範囲を有し、そして750±10nmに中心がある発光帯を有する、請求項87に記載の方法。 The reading laser beam has a wavelength in the absorption band of Al 2 O 3 : C, Mg centered at 620 ± 10 nm, and the fluorescent light signal has a wavelength range including from 620 to 880 nm; 88. The method of claim 87, having an emission band centered at 750 ± 10 nm. 前記蛍光光シグナルが、Al:C,Mgの吸収帯内でありそして250±10nmに中心がある波長の光を用いて励起され、該蛍光光シグナルが、620から880nmまでを含めた波長範囲を有し、そして750±10nmに中心がある発光帯を有する、請求項87に記載の方法。 The fluorescent light signal was excited with light having a wavelength within the Al 2 O 3 : C, Mg absorption band and centered at 250 ± 10 nm, the fluorescent light signal included from 620 to 880 nm 88. The method of claim 87, having an emission band having a wavelength range and centered at 750 ± 10 nm. 前記ルミネセンスデータ記憶媒体が、435±5nmの領域に吸収、520±5nmの領域に発光、および9±3nsの蛍光寿命を有する少なくとも1つの色中心、ならびに335±5nmおよび620±10nmの領域に吸収帯、750±5nmの領域に発光、および80±10nsの寿命を有する少なくとも1つの色中心を含む、請求項87に記載の方法。   The luminescence data storage medium absorbs in the region of 435 ± 5 nm, emits in the region of 520 ± 5 nm, and at least one color center having a fluorescence lifetime of 9 ± 3 ns, and in the region of 335 ± 5 nm and 620 ± 10 nm 88. The method of claim 87, comprising at least one color center having an absorption band, emission in the region of 750 ± 5 nm, and a lifetime of 80 ± 10 ns. 前記蛍光光シグナルが、650から800nmまでを含めた波長を有しそして750±10nmに中心がある、請求項87に記載の方法。   88. The method of claim 87, wherein the fluorescent light signal has a wavelength including from 650 to 800 nm and is centered at 750 ± 10 nm. 前記読み取りレーザービームが、前記ルミネセンスデータ記憶媒体を1nsから10μsの時間にわたって照射する、請求項87に記載の方法。   88. The method of claim 87, wherein the read laser beam illuminates the luminescent data storage medium for a time of 1 ns to 10 [mu] s. 前記読み取りレーザービームが、前記ルミネセンスデータ記憶媒体を約100ns間照射する、請求項87に記載の方法。   88. The method of claim 87, wherein the reading laser beam illuminates the luminescence data storage medium for about 100 ns. 前記工程(a)の前に、前記ルミネセンスデータ記憶媒体に書き込みレーザービームで書き込む工程をさらに含む、請求項87に記載の方法。   88. The method of claim 87, further comprising writing to the luminescent data storage medium with a writing laser beam prior to step (a). 前記ルミネセンスデータ記憶媒体からの情報が、前記ルミネセンスデータ記憶媒体内部の異なる深さの1より多い層から読み取られる、請求項87に記載の方法。   88. The method of claim 87, wherein information from the luminescent data storage medium is read from more than one layer at different depths within the luminescent data storage medium. 前記工程(b)が、共焦点検出技法を用いて前記蛍光シグナルを検出する工程を含む、請求項87に記載の方法。   88. The method of claim 87, wherein step (b) comprises detecting the fluorescent signal using a confocal detection technique. 前記読み取りレーザービームが、読み取り/書き込みヘッドに配置された前記光源によって発生され、そして該光学読み取り/書き込みヘッドが、回折限界スポットを少なくとも10ミクロンの深さにする球面収差補償を組み込む、請求項87に記載の方法。   88. The read laser beam is generated by the light source disposed in a read / write head, and the optical read / write head incorporates spherical aberration compensation that brings the diffraction limited spot to a depth of at least 10 microns. The method described in 1. 前記読み取りおよび書き込みレーザービームが、レンズを介してそれぞれ集光され、そして該レンズが、前記ルミネセンスデータ記憶媒体に情報を書き込みそして該ルミネセンスデータ記憶媒体から情報を読み取るために用いられる、請求項97に記載の方法。   The read and write laser beams are each focused through a lens, and the lens is used to write information to and read information from the luminescence data storage medium. 97. The method according to 97. 前記読み取りレーザービームが前記ルミネセンスデータ記憶媒体を励起する前に、該ルミネセンスデータ記憶媒体を前記光源に対しておよび読み取り位置に移動させる工程をさらに含む、請求項87に記載の方法。   88. The method of claim 87, further comprising moving the luminescence data storage medium relative to the light source and to a reading position before the reading laser beam excites the luminescence data storage medium. 前記読み取りレーザービームを前記ルミネセンスデータ記憶媒体における所定の深さに集束させる工程をさらに含む、請求項87に記載の方法。   88. The method of claim 87, further comprising focusing the read laser beam to a predetermined depth in the luminescence data storage medium. 前記読み取りレーザービームが、前記ルミネセンスデータ記憶媒体を該読み取りレーザービームに対して移動させることによって集束される、請求項103に記載の方法。   104. The method of claim 103, wherein the read laser beam is focused by moving the luminescent data storage medium relative to the read laser beam. 前記読み取りレーザービームが、光学ピックアップヘッドの位置を調節することによって集束される、請求項103に記載の方法。   104. The method of claim 103, wherein the read laser beam is focused by adjusting the position of an optical pickup head. 前記ルミネセンスデータ記憶媒体が、読み取りレーザービームパルス長に等しい読み取り時間で読み取られ、そして該ルミネセンスデータ記憶媒体が、静止データ記憶媒体である、請求項87に記載の方法。   88. The method of claim 87, wherein the luminescent data storage medium is read with a read time equal to a read laser beam pulse length, and the luminescent data storage medium is a stationary data storage medium. 前記ルミネセンスデータ記憶媒体が、該ルミネセンスデータ記憶媒体の速度に対する読み取りスポットサイズの比に等しい読み取り時間で読み取られ、そして該ルミネセンスデータ記憶媒体が可動データ記憶媒体である、請求項87に記載の方法。   88. The luminescent data storage medium is read at a read time equal to a ratio of the read spot size to the speed of the luminescent data storage medium, and the luminescent data storage medium is a movable data storage medium. the method of. 情報をデータ記憶媒体に書き込む方法であって、
Alを含むルミネセンスデータ記憶媒体を提供する工程;および
該ルミネセンスデータ記憶媒体に光源で該情報を書き込む工程であって、該ルミネセンスデータ記憶媒体が、該光源の光伝搬の方向に平行な光学c軸の配向を有する、工程
を含む、方法。
A method for writing information to a data storage medium, comprising:
Providing a luminescence data storage medium comprising Al 2 O 3 ; and writing the information to the luminescence data storage medium with a light source, the luminescence data storage medium having a direction of light propagation of the light source. And having an optical c-axis orientation parallel to the method.
前記ルミネセンスデータ記憶媒体が、
Alを含む基礎材料;
Mgを含む第1のドーパント;および
炭素を含む第2のドーパント
を含み、該ルミネセンスデータ記憶媒体が、多数の少なくとも1つのタイプの酸素空格子点欠損を含む、請求項108に記載の方法。
The luminescence data storage medium is
A basic material comprising Al 2 O 3 ;
109. The method of claim 108, comprising: a first dopant comprising Mg; and a second dopant comprising carbon, wherein the luminescence data storage medium comprises a number of at least one type of oxygen vacancy defects.
前記ルミネセンスデータ記憶媒体が、435±5nmの領域に吸収、520±5nmの領域に発光、および9±3nsの蛍光寿命を有する少なくとも1つの色中心を含む、請求項109に記載の方法。   110. The method of claim 109, wherein the luminescent data storage medium comprises at least one color center having absorption in the region of 435 ± 5 nm, emission in the region of 520 ± 5 nm, and fluorescence lifetime of 9 ± 3 ns. 前記ルミネセンスデータ記憶媒体が、250±5nm、335±5nm、および620±10nmの領域に励起および吸収帯、750±10nmの領域に発光、および80±10nsの蛍光寿命を有する少なくとも1つの色中心を含む、請求項109に記載の方法。   The luminescence data storage medium has at least one color center having excitation and absorption bands in the regions of 250 ± 5 nm, 335 ± 5 nm, and 620 ± 10 nm, emission in the region of 750 ± 10 nm, and fluorescence lifetime of 80 ± 10 ns 110. The method of claim 109, comprising: 前記レーザービームが、370から490nmまでを含めた波長を有する、請求項109に記載の方法。   110. The method of claim 109, wherein the laser beam has a wavelength including from 370 to 490 nm. 前記光源が、390nmの波長を有するレーザービームを発する、請求項109に記載の方法。   110. The method of claim 109, wherein the light source emits a laser beam having a wavelength of 390 nm. データ記憶媒体に情報を書き込む方法であって、
Alを含むルミネセンスデータ記憶媒体を提供する工程;および
該ルミネセンスデータ記憶媒体に光源で該情報を書き込む工程であって、該ルミネセンスデータ記憶媒体が、該光源の光伝搬の方向に垂直な光学c軸の配向を有し、そして該光源の偏光のベクトルが、該ルミネセンスデータ記憶媒体の回転と同期回転し、そして該光源の偏光方向に平行な結晶の光学c軸を維持する、工程
を含む、方法。
A method of writing information to a data storage medium,
Providing a luminescence data storage medium comprising Al 2 O 3 ; and writing the information to the luminescence data storage medium with a light source, the luminescence data storage medium having a direction of light propagation of the light source. And the polarization vector of the light source rotates synchronously with the rotation of the luminescent data storage medium and maintains the optical c axis of the crystal parallel to the polarization direction of the light source. A method comprising the steps of:
データ記憶媒体上に記憶された情報を読み取る方法であって、
(a)ルミネセンスデータ記憶媒体を光源で励起させて、該ルミネセンスデータ記憶媒体に蛍光光シグナルを発生させる工程であって、該ルミネセンスデータ記憶媒体がAlを含み、そして該光源が該ルミネセンスデータ記憶媒体の吸収帯の範囲の波長を有する読み取りレーザービームを発生し、そして該ルミネセンスデータ記憶媒体が該光源の光伝搬の方向に平行な光学c軸の配向を有する、工程;および
(b)該ルミネセンスデータ記憶媒体からの該レーザー誘導した蛍光光シグナルを測定して、該ルミネセンスデータ記憶媒体上に記憶された該情報を読み取る工程
を含む、方法。
A method for reading information stored on a data storage medium, comprising:
(A) exciting the luminescence data storage medium with a light source to generate a fluorescent light signal in the luminescence data storage medium, the luminescence data storage medium comprising Al 2 O 3 and the light source Generating a read laser beam having a wavelength in the range of the absorption band of the luminescence data storage medium, and the luminescence data storage medium having an optical c-axis orientation parallel to the direction of light propagation of the light source And (b) measuring the laser-induced fluorescent light signal from the luminescence data storage medium and reading the information stored on the luminescence data storage medium.
データ記憶媒体上に記憶された情報を読み取る方法であって、
(a)ルミネセンスデータ記憶媒体を光源で励起させて、該ルミネセンスデータ記憶媒体に蛍光光シグナルを発生させる工程であって、該ルミネセンスデータ記憶媒体がAlを含み、そして該光源が該ルミネセンスデータ記憶媒体の吸収帯の範囲の波長を有する読み取りレーザービームを発生し、そして該ルミネセンスデータ記憶媒体が該光源の光伝搬の方向に垂直な光学c軸の配向を有し、そして該光源の偏光のベクトルが、該ルミネセンスデータ記憶媒体の回転と同期回転し、そして該結晶の該c軸が該光源の偏光方向に平行に維持される、工程;および
(b)該ルミネセンスデータ記憶媒体からの該レーザー誘導した蛍光光シグナルを測定して、該ルミネセンスデータ記憶媒体上に記憶された該情報を読み取る工程
を含む、方法。
A method for reading information stored on a data storage medium, comprising:
(A) exciting the luminescence data storage medium with a light source to generate a fluorescent light signal in the luminescence data storage medium, the luminescence data storage medium comprising Al 2 O 3 and the light source Generate a read laser beam having a wavelength in the range of the absorption band of the luminescent data storage medium, and the luminescent data storage medium has an optical c-axis orientation perpendicular to the light propagation direction of the light source; And the vector of polarization of the light source is rotated synchronously with the rotation of the luminescence data storage medium and the c-axis of the crystal is maintained parallel to the polarization direction of the light source; and (b) the luminescence Measuring the laser-induced fluorescent light signal from the sense data storage medium and reading the information stored on the luminescence data storage medium. Law.
データ記憶媒体上に記憶された情報を消去する方法であって、
(a)Alを含むルミネセンスデータ記憶媒体を提供する工程であって、該ルミネセンスデータ記憶媒体がそこに記憶された該情報を有する、工程;および
(b)該ルミネセンスデータ記憶媒体を光源で照射して、該情報を消去する工程であって、該ルミネセンスデータ記憶媒体が、
Alを含む基礎材料;
マグネシウムを含む第1のドーパント;および
炭素を含む第2のドーパント
を含み、該ルミネセンスデータ記憶媒体が、多数の少なくとも1つのタイプの酸素空格子点欠損を含み、そして該ルミネセンスデータ記憶媒体が、250±5nm、335±5nm、および620±10nmの領域に吸収帯、750±5nmの領域に発光、および80±10nsの寿命を有する少なくとも1つの色中心を含む、工程
を含む、方法。
A method for erasing information stored on a data storage medium, comprising:
(A) providing a luminescence data storage medium comprising Al 2 O 3 , the luminescence data storage medium having the information stored therein; and (b) the luminescence data storage. Irradiating the medium with a light source to erase the information, the luminescence data storage medium comprising:
A basic material comprising Al 2 O 3 ;
A first dopant comprising magnesium; and a second dopant comprising carbon, the luminescence data storage medium comprising a number of at least one type of oxygen vacancy defects, and the luminescence data storage medium , Including at least one color center having an absorption band in the region of 250 ± 5 nm, 335 ± 5 nm, and 620 ± 10 nm, emission in the region of 750 ± 5 nm, and a lifetime of 80 ± 10 ns.
前記工程(b)が、多光子吸収の条件下で620±50nmの波長を有する前記光源での前記ルミネセンスデータ記憶媒体の照射を含む、請求項117に記載の方法。   118. The method of claim 117, wherein step (b) comprises illuminating the luminescent data storage medium with the light source having a wavelength of 620 ± 50 nm under conditions of multiphoton absorption. 前記ルミネセンスデータ記憶媒体が、前記光源の光伝搬の方向に平行な前記光学c軸の配向を有する、請求項117に記載の方法。   118. The method of claim 117, wherein the luminescent data storage medium has an orientation of the optical c-axis that is parallel to a direction of light propagation of the light source. 前記ルミネセンスデータ記憶媒体が、前記光源の光伝搬の方向に垂直な光学c軸の配向を有し、そして該光源の偏光のベクトルが、該ルミネセンスデータ記憶媒体の回転と同期回転し、そして該結晶のc軸が、該光源の偏光方向に平行に維持する、請求項117に記載の方法。   The luminescence data storage medium has an optical c-axis orientation perpendicular to the direction of light propagation of the light source, and the polarization vector of the light source rotates synchronously with the rotation of the luminescence data storage medium; and 118. The method of claim 117, wherein the c-axis of the crystal is maintained parallel to the polarization direction of the light source. Alを含むルミネセンスデータ記憶媒体;
該ルミネセンスデータ記憶媒体に情報を書き込むための光源;および
該ルミネセンスデータ記憶媒体を回転させるための手段および該光源の偏光のベクトルを回転させるための手段
を含む装置であって、該ルミネセンスデータ記憶媒体の光学c軸が同期回転し、そして該光源の偏光のベクトルに平行である、装置。
A luminescence data storage medium comprising Al 2 O 3 ;
An apparatus comprising: a light source for writing information to the luminescence data storage medium; and means for rotating the luminescence data storage medium and means for rotating a vector of polarization of the light source, the luminescence An apparatus wherein the optical c-axis of the data storage medium rotates synchronously and is parallel to the polarization vector of the light source.
Alを含むルミネセンスデータ記憶媒体;
情報が該ルミネセンスデータ記憶媒体に記憶される場合、該ルミネセンスデータ記憶媒体を励起させて、該ルミネセンスデータ記憶媒体に蛍光光シグナルを発生させるための第1光源;
該発生した蛍光光シグナルを測定するための測定手段;および
該ルミネセンスデータ記憶媒体を回転させるための手段および該光源の偏光のベクトルを回転させるための手段
を含む装置であって、該ルミネセンスデータ記憶媒体の光学c軸が同期回転し、そして該光源の偏光のベクトルに平行である、装置。
A luminescence data storage medium comprising Al 2 O 3 ;
A first light source for exciting the luminescence data storage medium to generate a fluorescent light signal in the luminescence data storage medium when information is stored in the luminescence data storage medium;
An apparatus comprising: measurement means for measuring the generated fluorescent light signal; and means for rotating the luminescence data storage medium and means for rotating a vector of polarization of the light source, the luminescence An apparatus wherein the optical c-axis of the data storage medium rotates synchronously and is parallel to the polarization vector of the light source.
前記ルミネセンスデータ記憶媒体に情報を書き込むための第2光源をさらに含む、請求項122に記載の装置。   The apparatus of claim 122, further comprising a second light source for writing information to the luminescence data storage medium. 前記第1および第2光源が同じである、請求項123に記載の装置。   124. The apparatus of claim 123, wherein the first and second light sources are the same. 前記測定手段が共焦点検出手段を含む、請求項124に記載の装置。   The apparatus of claim 124, wherein the measuring means includes confocal detection means. 前記第1光源および前記第2光源を含む光学ヘッドをさらに含む、請求項123に記載の装置。   124. The apparatus of claim 123, further comprising an optical head that includes the first light source and the second light source. Alを含むルミネセンスデータ記憶媒体;
該ルミネセンスデータ記憶媒体から情報を消去するための光源;および
該光源の偏光のベクトルを回転させるための手段
を含む装置であって、該ルミネセンスデータ記憶媒体の光学c軸が同期回転し、そして該光源の偏光のベクトルに平行である、装置。
A luminescence data storage medium comprising Al 2 O 3 ;
An apparatus comprising: a light source for erasing information from the luminescence data storage medium; and means for rotating a vector of polarization of the light source, wherein the optical c-axis of the luminescence data storage medium is synchronously rotated; And a device parallel to the vector of polarization of the light source.
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